JP2004157270A - Three-dimensional display system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-dimensional display system which suppresses discrepancies between physiological parameters of stereoscopic views, can display three-dimensional stereoscopic images of color images without using glasses, is simple in configuration, and is compact. <P>SOLUTION: The three-dimensional display system has a variable focus lens device disposed on an observer side of the display device and displays the two-dimensional images projecting an object for display from the line-of-sight direction of the observer to (n) pieces of display surfaces existing in different depth positions viewed from the observer in synchronization with changes of (n) steps of the focal length of the variable focus lens device on the display system. The variable focus lens device has a first lens set including a first microlens array, and a second lens set including a variable focus microlens array for changing a focal length to (n) steps and a second microlens array. The variable focus microlens array is arranged at the focal position of the second microlens array. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、眼鏡を用いないで三次元立体像が表示可能な三次元表示装置に係わり、特に、構成が簡単で、かつ、コンパクトな三次元表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者らは、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、眼鏡を用いないでカラー画像の三次元立体像が表示可能な三次元表示装置を提案している（例えば、特許文献参照。）。
【０００３】
なお、本願の発明に関連する先行技術文献情報としては以下のものがある。
【特許文献】
特許第３０２２５５８号公報
【非特許文献】
「液晶・基礎編」、「液晶・応用編」（岡野、小林共編、培風館）
【０００４】
図８は、本発明の基本となる三次元表示装置の概略構成を示す図であり、前述の特許文献に図１として図示されている三次元表示装置である。
同図に示す三次元表示装置は、観察者１００の前面に複数の表示面、例えば、表示面（１０１，１０２）（表示面１０１が表示面１０２より観察者１００に近い）を設定し、これらの表示面（１０１，１０２）に複数の二次元像を表示するために、二次元表示装置と種々の光学素子を用いて光学系１０３を構築する。
以下、図８ないし図１３を用いて、本発明の基本となる三次元表示装置の表示原理について説明する。
図９に示すように、観察者１００に提示したい三次元物体１０４を、観察者１００の両眼の視線方向から、前述の表示面（１０１，１０２）へ射影した像（以下、「２Ｄ化像」と呼ぶ）（１０５，１０６）を生成する。
この２Ｄ化像の生成方法としては、例えば、視線方向から物体１０４をカメラで撮影した二次元像を用いる方法、あるいは別の方向から撮影した複数枚の二次元像から合成する方法、あるいはコンピュータグラフィックによる合成技術やモデル化を用いる方法など種々の方法がある。
【０００５】
そして、図８に示すように、前記２Ｄ化像（１０５，１０６）を、各々表示面１０１と表示面１０２の双方に、観察者１００の右眼と左眼とを結ぶ線上の一点から見て重なるように表示する。
これは、例えば、２Ｄ化像（１０５，１０６）の各々の中心位置や重心位置の配置と、各々の像の拡大・縮小を制御することで可能となる。
本発明の基本となる三次元表示装置の重要な要点は、前記構成を有する装置上で、２Ｄ化像（１０５，１０６）の各々の輝度を、観察者１００から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、三次元物体１０４の奥行き位置に対応して変えることである。
その変え方の一例を以下に述べる。なお、ここでは、白黒図面であるため、分かりやすいように、以下の図面では輝度の高い方を濃く示してある。
例えば、三次元物体１０４が表示面１０１上にある場合には、図１０に示すように、この上の２Ｄ化像１０５の輝度を三次元物体１０４の輝度に等しくし、表示面１０２上の２Ｄ化像１０６の輝度はゼロとする。
【０００６】
次に、例えば、三次元物体１０４が観察者１００より少し遠ざかって表示面１０１より表示面１０２側に少し寄った位置にある場合には、図１１に示すように、２Ｄ化像１０５の輝度を少し下げ、２Ｄ化像１０６の輝度を少し上げる。
さらに、例えば、三次元物体１０４が観察者１００よりさらに遠ざかって表示面１０１より表示面１０２側にさらに寄った位置にある場合には、図１２に示すように、２Ｄ化像１０５の輝度をさらに下げ、２Ｄ化像１０６の輝度をさらに上げる。
遂に、例えば、三次元物体１０４が表示面１０２上にある場合には、図１３に示すように、この上の２Ｄ化像１０６の輝度を三次元物体１０４の輝度に等しくし、表示面１０１上の２Ｄ化像１０５の輝度はゼロとする。
このように表示することにより、観察者（人）１００の生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示しているのが２Ｄ化像（１０５，１０６）であっても、観察者１００にはあたかも表示面（１０１，１０２）の中間に三次元物体１０４が位置しているように感じられる。
即ち、例えば、表示面（１０１，１０２）にほぼ等輝度の２Ｄ化像（１０５，１０６）を表示した場合には、表示面（１０１，１０２）の奥行き位置の中間付近に三次元物体１０４があるように感じられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述した表示面に二次元像を表示するための二次元表示装置としては、例えば、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＦＥＤディスプレイ、プロジェクション型ディスプレイ、線描画型ディスプレイなどを用い、光学素子としては、例えば、レンズ、全反射鏡、部分反射鏡、曲鏡、プリズム、偏光素子、波長板などを用いる。
そのため、前述した三次元表示装置は、前述の特許文献の実施の形態３以降に記載しているように、構成が複雑になるという問題点があった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、眼鏡を用いないで三次元立体像が表示可能であるとともに、構成が簡単で、かつ、コンパクトな三次元表示装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
即ち、本発明は、表示装置と、前記表示装置の観察者側に設けられる可変焦点レンズ装置と、ｎを２以上の整数とするとき、前記可変焦点レンズ装置の焦点距離をｎ段階に変化させる第１の手段と、前記可変焦点レンズ装置の焦点距離のｎ段階の変化と同期して、観察者から見て異なった奥行き位置にあるｎ個の表示面の中でｎ番目の表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像を、前記表示装置に表示させる第２の手段とを備える三次元表示装置であって、前記第２の手段は、前記表示装置に表示させる二次元像の輝度を、ｎ個の二次元像毎にそれぞれ独立に変化させ、前記可変焦点レンズ装置は、第１のマイクロレンズアレイを含み、元画像の縮小倒立実像を結像させる第１のレンズ組と、前記第１の手段に基づき焦点距離をｎ段階に変化させる可変焦点マイクロレンズアレイと、第２のマイクロレンズアレイとを含み、前記第１のレンズ組により結像された前記縮小倒立実像の拡大正立実像を結像させる第２のレンズ組とを有し、前記拡大正立実像と前記平面上の元画像とは同じ大きさであり、かつ、前記可変焦点マイクロレンズアレイは、前記第２のマイクロレンズアレイの焦点位置に配置されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、表示装置と、前記表示装置の観察者側に設けられ、前記表示装置から入射される二次元像の偏光方向を第１の偏光方向と、第２の偏光方向とに切り替える偏光切替装置と、前記偏光切替装置の観察者側に設けられる偏光型二焦点レンズ装置と、前記偏光切替装置において前記表示装置から入射される二次元像の偏光方向を前記第１の偏光方向に切り替えたときに、前記観察者から見て異なった奥行き位置にある２つの表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像の中の一方の二次元像を前記表示装置に表示させ、あるいは、前記偏光切替装置において前記表示装置から入射される二次元像の偏光方向を前記第２の偏光方向に切り替えたときに、前記観察者から見て異なった奥行き位置にある２つの表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像の中の他方の二次元像を前記表示装置に表示させる手段とを備える三次元表示装置であって、前記手段は、前記表示装置に表示させる二次元像の輝度を、２つの二次元像毎にそれぞれ独立に変化させ、前記偏光型二焦点レンズ装置は、第１のマイクロレンズアレイを含み、元画像の縮小倒立実像を結像させる第１のレンズ組と、前記入射される光が前記第１の偏光方向のときと、前記第２の偏光方向のときとで、焦点距離が異なる偏光型二焦点マイクロレンズアレイと、第２のマイクロレンズアレイとを含み、前記第１のレンズ組により結像された前記縮小倒立実像の拡大正立実像を結像させる第２のレンズ組とを有し、前記拡大正立実像と前記平面上の元画像とは同じ大きさであり、かつ、前記偏光型二焦点マイクロレンズアレイは、前記第２のマイクロレンズアレイの焦点位置に配置されることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１の三次元表示装置の概略構成を示す図である。
同図に示すように、本実施の形態の三次元表示装置は、自発光型二次元表示装置（以下、単に、自発光型表示装置という）２０１と、自発光型表示装置２０１の観察者側に配置される可変焦点レンズ装置１３５とを備える。
自発光型表示装置２０１としては、例えば、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＦＥＤディスプレイ、プロジェクション型ディスプレイ、線描画型ディスプレイなどが使用される。
また、ｎを２以上の整数（ｎ≧２）とするとき、この可変焦点レンズ装置１３５は、焦点距離をｎ段階に変化させることができるが、以降の説明では、ｎが２の場合について説明する。
【００１１】
本実施の形態では、可変焦点レンズ装置１３５の焦点距離を、時分割で２段階に変化させ、自発光型表示装置２０１に表示された二次元像を、結像面１０２１と結像面１０２２とに結像させる。
そして、自発光型表示装置２０１に表示された二次元像を結像面１０２１に結像させる時に、自発光型表示装置２０１に、前述の図９で説明した２Ｄ化像１０５を表示し、また、自発光型表示装置２０１に表示された二次元像を結像面１０２２に結像させる時に、自発光型表示装置２０１に、前述の図９で説明した２Ｄ化像１０６を表示させ、さらに、当該２Ｄ化像（１０５，１０６）の輝度を、図１０ないし図１３において説明したように変化させる。
この動作を人間の目の残像時間内に行うことにより、本実施の形態の三次元表示装置は、図２に示す三次元表示装置と光学的に等価になる。
なお、図２において、１１１は、結像面１０２１に結像された二次元画像からなる表示面、１１２は、結像面１０２２に結像された二次元画像からなる表示面である。
したがって、本実施の形態の三次元表示装置は、前述した本発明の基本となる三次元表示装置の表示原理に基づき、三次元立体像を表示することが可能となる。
【００１２】
［本実施の形態１の可変焦点レンズ装置１３５の構成］
以下、本実施の形態の特徴である可変焦点レンズ装置１３５について説明する。
図３は、本発明の実施の形態の可変焦点レンズ装置１３５の概略構成を示す図である。
同図に示すように、本実施の形態の可変焦点レンズ装置１３５は、第１のマイクロレンズアレイ（Ｌ０）を含む第１のレンズ組２０と、可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ１）と第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）とを含む第２のレンズ組２１とを備える。
本実施の形態の可変焦点レンズ装置１３５では、第１のレンズ組２０により、平面上の元画像１０を縮小して縮小倒立実像１１を結像させ、かつ、この縮小倒立実像１１を第２のレンズ組２１により拡大して、平面上の元画像１０の拡大正立実像１２を結像させる。
ここで、第１のマイクロレンズアレイ（Ｌ０）の焦点距離はｆ０、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）の焦点距離はｆ２である。
また、ｍを１以上の正数とするとき、第１のレンズ組２０における、元画像１０の縮小倍率を（１／ｍ）とし、第２のレンズ組２１における、縮小倒立実像１１の拡大倍率をｍとする。即ち、縮小倒立実像１１から見て、第１のレンズ組２０による拡大倍率と、第２のレンズ組２１による拡大倍率とを一致させ、拡大正立実像１２の大きさを、平面上の元画像１０の大きさと同じにする。
ここで、マイクロレンズアレイの各レンズは、ほぼ各レンズの直径に相当する元画像の部分の結像に主に寄与し、かつ、元画像１０とその実像１２が同じ大きさであるため、各レンズのつなぎ目での像のみだれを少なくできる。
【００１３】
この可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ１）としては、例えば、二周波液晶を用いた可変焦点マイクロレンズアレイなどを使用する。
また、可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ１）と第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）との距離を、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）の焦点距離とする。即ち、可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ１）を、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）の焦点位置に配置する。
本実施の形態の可変焦点レンズ装置１３５によれば、可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ１）の焦点距離を変化させることにより、第２のレンズ組２１と元画像１０の正立実像１２の結像位置との間の距離を移動させることができる。
通常、結像位置が移動すると、像の大きさも変化するが、可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ１）を、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）の焦点位置に配置することにより、大きさを変化することなく、結像位置を移動することができる。
このように、本実施の形態の可変焦点レンズ装置１３５によれば、元画像１０の正立実像１２の大きさを変化させることなく、元画像１０の正立実像１２の結像位置を可変することが可能となる。
【００１４】
また、本実施の形態の可変焦点レンズ装置１３５では、第２のレンズ組２１として、凹レンズタイプの可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ１）と凸レンズタイプのマイクロレンズアレイ（Ｌ２）とを使用することにより、第２のレンズ組２１の焦点距離（Ｆ）が、第２のレンズ組２１としてマイクロレンズアレイ（Ｌ２）のみを使用する場合（即ち、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）の焦点距離ｆ２）よりも長くなる。
したがって、図４に示すように、第２のレンズ組２１と元画像の正立実像１２の結像位置との間の距離（Ｏ）を、平面上の元画像１０と第１のレンズ組２０との間の距離（Ｒ）よりも長くすることが可能となる。
そのため、本実施の形態の三次元表示装置では、図１に示す自発光型表示装置２０１と、可変焦点レンズ装置１３５との間の間隔を短くできる。
さらに、本実施の形態の三次元表示装置では、一個の自発光型表示装置２０１と、可変焦点レンズ装置１３５とを配置するだけであるので、本実施の形態の三次元表示装置では、図８に示す従来の三次元表示装置に比して、構成を簡略化すし、かつ、コンパクトに構成することができる。
【００１５】
なお、前述の可変焦点レンズ装置１３５において、第１のマイクロレンズアレイ（Ｌ０）、可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ１）、および、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）は、拡大正立実像１２の大きさが、平面上の元画像１０の大きさと同じになる位置に配置する。
また、前述の可変焦点レンズ装置１３５において、第１のマイクロレンズアレイ（Ｌ０）、可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ１）、あるいは、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）は、フレネルレンズアレイ、あるいはホログラムによるレンズアレイを使用することも可能である。
また、第１のレンズ組２０の収差と、第２のレンズ組２１の収差とをできるだけ近づけることにより、色ずれ、歪みなどの少ない拡大正立実像１２を得ることが可能となる。
なお、前述の説明では、可変焦点レンズ装置１３５の焦点距離を２段階に変化させる場合について説明したが、可変焦点レンズ装置１３５の焦点距離を２以上のｎ段階に変化させることも可能である。
この場合には、可変焦点レンズ装置１３５の焦点距離のｎ段階の変化と同期して、観察者から見て異なった奥行き位置にあるｎ個の表示面の中でｎ番目の表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像を、自発光型表示装置２０１に表示させる。
【００１６】
さらに、前述の説明では、例えば、三次元物体全体の奥行き位置を、可変焦点レンズ装置１３５の焦点距離を時分割で２段階に変化させ、自発光型表示装置２０１に表示された２Ｄ化像を、結像面１０２１と結像面１０２２とに結像させて表現する方法および装置について主に述べたが、本実施の形態の三次元表示装置は、前述の特許文献に記載したように、三次元物体自体が有する奥行きを表現する方法及び装置としても使用できる。
同様に、本実施の形態の三次元表示装置は、前述の特許文献に記載したように、三次元物体自体が移動する場合にも使用できる。
２Ｄ化像が三次元的に移動する場合、観察者の左右上下方向への移動に関しては通常の二次元表示装置の場合と同様に透明自発光型表示装置内での動画再生によって可能であり、奥行き方向への移動に関しては、前述の特許文献に記載したように、可変焦点レンズ装置１３５の焦点距離を、時分割で２段階に変化させ自発光型表示装置２０１に表示された２Ｄ化像を結像面１０２１と結像面１０２２とに結像させるときに、自発光型表示装置２０１に表示される２Ｄ化像の輝度の変化を時間的に行うことで、三次元像の動画を表現することができる。
【００１７】
［実施の形態２］
図５は、本発明の実施の形態２の三次元表示装置の概略構成を示す図である。同図に示すように、本実施の形態の三次元表示装置は、自発光型表示装置２０１と、自発光型表示装置２０１の観察者側に配置され、自発光型表示装置２０１から入射される二次元像の偏光方向を第１の偏光方向と、第２の偏光方向とに切り替える偏光切替装置１５０と、偏光切替装置１５０の観察者側に設けられる偏光型二焦点レンズ装置１３６とを備える。
自発光型表示装置２０１としては、例えば、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＦＥＤディスプレイ、プロジェクション型ディスプレイ、線描画型ディスプレイなどが使用される。
偏光型二焦点レンズ装置１３６は、入射される光が第１の偏光方向のときと、入射される光が第２の偏光方向のときとで、焦点距離が異なるレンズである。
【００１８】
本実施の形態では、偏光切替装置１５０により、偏光切替装置１５０から出力される二次元像の偏光方向を第１の偏光方向と、第２の偏光方向とに時分割で切り替える。
また、偏光型二焦点レンズ装置１３６は、入射される光が第１の偏光方向のときと、入射される光が第２の偏光方向のときとで、焦点距離が異なるので、これにより、本実施の形態では、時分割により、自発光型表示装置２０１に表示された二次元像を、結像面１０２１と結像面１０２２とに結像させることができる。そして、自発光型表示装置２０１に表示された二次元像を結像面１０２１に結像させる時に、自発光型表示装置２０１に、前述の図９で説明した２Ｄ化像１０５を表示し、また、自発光型表示装置２０１に表示された二次元像を結像面１０２２に結像させる時に、自発光型表示装置２０１に、前述の図９で説明した２Ｄ化像１０６を表示させ、さらに、当該２Ｄ化像（１０５，１０６）の輝度を、図１０ないし図１３において説明したように変化させる。
この動作を人間の目の残像時間内に行うことにより、本実施の形態の三次元表示装置は、図２に示す三次元表示装置と光学的に等価になる。
したがって、本実施の形態の三次元表示装置は、前述した本発明の基本となる三次元表示装置の表示原理に基づき、三次元立体像を表示することが可能となる。
【００１９】
［本実施の形態２の偏光型二焦点レンズ装置１３６の構成］
以下、本実施の形態の特徴である偏光型二焦点レンズ装置１３６について説明する。
図６は、本発明の実施の形態の偏光型二焦点レンズ装置１３６の概略構成を示す図である。
同図に示すように、本実施の形態の偏光型二焦点レンズ装置１３６は、第１のマイクロレンズアレイ（Ｌ０）を含む第１のレンズ組２０と、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ３）と第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）とを含む第２のレンズ組２１とを備える。
本実施の形態の偏光型二焦点レンズ装置１３６では、第１のレンズ組２０により、平面上の元画像１０を縮小して縮小倒立実像１１を結像させ、かつ、この縮小倒立実像１１を第２のレンズ組２１により拡大して、平面上の元画像１０の拡大正立実像１２を結像させる。
また、ｍを１以上の正数とするとき、第１のレンズ組２０における、元画像１０の縮小倍率を（１／ｍ）とし、第２のレンズ組２１における、縮小倒立実像１１の拡大倍率をｍとする。即ち、縮小倒立実像１１から見て、第１のレンズ組２０による拡大倍率と、第２のレンズ組２１による拡大倍率とを一致させ、拡大正立実像１２の大きさを、平面上の元画像１０の大きさと同じにする。
【００２０】
ここで、マイクロレンズアレイの各レンズは、ほぼ各レンズの直径に相当する元画像の部分の結像に主に寄与し、かつ、元画像１０とその実像１２が同じ大きさであるため、各レンズのつなぎ目での像のみだれを少なくできる。
また、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ３）と第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）との距離を、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）の焦点距離とする。即ち、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ３）を、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）の焦点位置に配置する。
本実施の形態の偏光型二焦点レンズ装置１３６によれば、偏光型二焦点レンズ装置１３６に入射する光の偏光方向を変化させることにより、第２のレンズ組２１と元画像１０の正立実像１２の結像位置との間の距離を移動させることができる。
通常、結像位置が移動すると、像の大きさも変化するが、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ３）を、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）の焦点位置に配置することにより、大きさを変化することなく、結像位置を移動することができる。
このように、本実施の形態の偏光型二焦点レンズ装置１３６でも、元画像１０の正立実像１２の大きさを変化させることなく、元画像１０の正立実像１２の結像位置を可変することが可能となる。
【００２１】
図７は、本実施の形態の偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ３）の一例を示す図である。なお、図７は、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ３）の個々のマイクロレンズを示している。
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ３）の個々のマイクロレンズは、固定焦点レンズ３０１と、複屈折領域３０２とから構成される。
ここで、固定焦点レンズ３０１は、例えば、図７（ｂ）に示すガラスあるいはプラスチック製の凸レンズ、または、図７（ａ）に示すガラスあるいはプラスチック製の凹レンズ、あるいは、ガラスあるいはプラスチック製の凸レンズ、凹レンズ、プリズムなどの組み合わせによるレンズ系、あるいは、ガラスあるいはプラスチック製の凸レンズ、凹レンズ、プリズムなどの組み合わせによるミラー系等により構成される。
また、複屈折領域３０２、例えば、液晶やＰＬＺＴ等からなる複領域屈折性を有する媒体で構成される。
【００２２】
ここで、固定焦点レンズ３０１の屈折率をｎ１とし、入射光の第１の偏光方向、並びに、第２の偏光方向における、複屈折領域３０２の屈折率を、それぞれｎ２１、ｎ２２とする。
例えば、複屈折領域３０２から光を入射した場合、入射光の偏光方向に応じてそれぞれに屈折率ｎ２１、ｎ２２を感じて進行した後、屈折率ｎ１の固定焦点レンズ３０１と接することになる。
したがって、出射光は、入射光の偏光状態に応じて異なった位置に結像する。即ち、偏光方向により焦点距離が相違する偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ３）として動作する。
逆に、固定焦点レンズ３０１側から入射した場合にも、同様に固有偏光方向に応じた屈折率により、二つの結像面に分離して結像する。
ここで、図７に示すように、複屈折領域３０２が液晶の場合、配向膜３０３を付け加えることにより、複屈折領域３０２側から入射した光に対して、面内均一な分離を得ることができる。
【００２３】
また、図７に示す偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ３）において、固定焦点レンズ３０１がない場合でも、複屈折領域３０２の片面あるいは両面が、図７に示すような、レンズ形状やプリズム形状をしている場合には、同様な効果がある。
さらに、複屈折性を有する媒体としては、液晶が屈折率異方性が大きいために有益であり、その種類としては通常のネマティック液晶の他、例えば、高分子分散型液晶、ホログラフィック高分子分散型液晶、高分子液晶、スメクティック液晶、強誘電液晶、高分子安定化強誘電液晶などがある。
さらに、液晶以外でも高分子材料の主軸を揃えて形成することにより複屈折性を得ることができることは明らかである。
本実施の形態の偏光切替装置１５０としては、例えば、電界や電圧により複屈折性を変化できる媒質（例えば、液晶やＰＬＺＴ等）を用いた装置がよく知られている。液晶を用いた装置としては、例えば、「液晶・基礎編」、「液晶・応用編」（岡野、小林共編、培風館）などに多くの種類が記載されている。
【００２４】
以上説明したように、本実施の形態の三次元表示装置でも、図１に示す自発光型表示装置２０１と、偏光型二焦点レンズ装置１３６との間の間隔を短くできる。
さらに、本実施の形態の三次元表示装置では、一個の自発光型表示装置２０１と、偏光型二焦点レンズ装置１３６とを配置するだけであるので、本実施の形態の三次元表示装置では、図８に示す従来の三次元表示装置に比して、構成を簡略化すし、かつ、コンパクトに構成することができる。
なお、前述の偏光型二焦点レンズ装置１３６において、第１のマイクロレンズアレイ（Ｌ０）、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ３）、および、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）は、拡大正立実像１２の大きさが、平面上の元画像１０の大きさと同じになる位置に配置する。
また、前述の偏光型二焦点レンズ装置１３６において、第１のマイクロレンズアレイ（Ｌ０）、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ３）、あるいは、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ２）は、フレネルレンズアレイ、あるいはホログラムによるレンズアレイを使用することも可能である。
また、第１のレンズ組２０の収差と、第２のレンズ組２１の収差とをできるだけ近づけることにより、色ずれ、歪みなどの少ない拡大正立実像１２を得ることが可能となる。
【００２５】
さらに、前述の説明では、例えば、三次元物体全体の奥行き位置を、偏光型二焦点レンズ装置１３６の焦点距離を時分割で２段階に変化させ、自発光型表示装置２０１に表示された２Ｄ化像を、結像面１０２１と結像面１０２２とに結像させて表現する方法および装置について主に述べたが、本実施の形態の三次元表示装置は、前述の特許文献に記載したように、三次元物体自体が有する奥行きを表現する方法及び装置としても使用できる。
同様に、本実施の形態の三次元表示装置は、前述の特許文献に記載したように、三次元物体自体が移動する場合にも使用できる。
２Ｄ化像が三次元的に移動する場合、観察者の左右上下方向への移動に関しては通常の二次元表示装置の場合と同様に透明自発光型表示装置内での動画再生によって可能であり、奥行き方向への移動に関しては、前述の特許文献に記載したように、偏光型二焦点レンズ装置１３６の焦点距離を、時分割で２段階に変化させ自発光型表示装置２０１に表示された２Ｄ化像を結像面１０２１と結像面１０２２とに結像させるときに、自発光型表示装置２０１に表示される２Ｄ化像の輝度の変化を時間的に行うことで、三次元像の動画を表現することができる。
なお、前述の各実施の形態における二次元像の表示面は、本発明の趣旨から見て、必ずしも平面である必要はなく、球面や楕円面や二次曲面や他の複雑な曲面であっても同様な効果が得られることは明らかである。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００２６】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明によれば、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、眼鏡を用いないでカラー画像の三次元立体像が表示可能であって、構成が簡単で、かつ、コンパクトな三次元表示装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の三次元表示装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１の三次元表示装置と光学的に等価な三次元表示装置を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１の可変焦点レンズ装置の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１の可変焦点レンズ装置の動作を説明するための模式図である。
【図５】本発明の実施の形態２の三次元表示装置の概略構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２の偏光型二焦点レンズ装置の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２の偏光型二焦点マイクロレンズアレイの概略構成を説明するための図である。
【図８】本発明の基本となる三次元表示装置の概略構成を示す図である。
【図９】本発明の基本となる三次元表示装置において、各表示面に表示する２Ｄ化像の生成方法を説明するための図である。
【図１０】従来の三次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１１】本発明の基本となる三次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１２】本発明の基本となる三次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１３】本発明の基本となる三次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１０…平面上の元画像、１１…倒立実像、１２…正立実像、２０，２１…レンズ組、１００…観察者、１０１，１０２，１１１，１１２…表示面、１０３…光学系、１０４…三次元物体、１０５，１０６…２Ｄ化像、１３５…可変焦点レンズ装置、１３６…偏光型二焦点レンズ装置、１５０…偏光切替装置、２０１…自発光型二次元表示装、３０１…固定焦点レンズ、３０２…複屈折領域、３０３…配向膜、１０２１，１０２２…結像面、Ｌ０，Ｌ２…マイクロレンズアレイ、Ｌ１…可変焦点マイクロレンズアレイ、Ｌ３…偏光型二焦点マイクロレンズアレイ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional display device capable of suppressing a contradiction between physiological factors of stereoscopic vision and capable of displaying a three-dimensional stereoscopic image without using glasses, and in particular, has a simple configuration and is compact. Related to a three-dimensional display device.
[0002]
[Prior art]
The present inventors have proposed a three-dimensional display device capable of suppressing inconsistency between physiological factors of stereoscopic vision and displaying a three-dimensional stereoscopic image of a color image without using glasses (for example, See patent literature.).
[0003]
Prior art document information related to the invention of the present application includes the following.
[Patent Document]
Japanese Patent No. 3022558
[Non-patent literature]
"Liquid Crystal / Basic", "Liquid Crystal / Application" (Okano and Kobayashi, edited by Baifukan)
[0004]
FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a three-dimensional display device which is a basis of the present invention, which is the three-dimensional display device shown in FIG. 1 in the above-mentioned patent document.
In the three-dimensional display device shown in the figure, a plurality of display surfaces, for example, display surfaces (101, 102) (the display surface 101 is closer to the observer 100 than the display surface 102) are set in front of the observer 100. An optical system 103 is constructed using a two-dimensional display device and various optical elements in order to display a plurality of two-dimensional images on the display surfaces (101, 102).
Hereinafter, the display principle of the three-dimensional display device which is the basis of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 9, an image obtained by projecting a three-dimensional object 104 to be presented to the observer 100 from the viewing directions of both eyes of the observer 100 onto the above-described display surfaces (101, 102) (hereinafter, “2D image”) (105, 106).
As a method of generating the 2D image, for example, a method using a two-dimensional image of the object 104 captured by a camera from the line of sight, a method of synthesizing a plurality of two-dimensional images captured from another direction, or a computer graphic There are various methods such as a method using a synthesis technique and a modeling method.
[0005]
Then, as shown in FIG. 8, the 2D images (105, 106) are viewed from one point on a line connecting the right eye and the left eye of the observer 100 on both the display surface 101 and the display surface 102, respectively. Display so that they overlap.
This can be achieved, for example, by controlling the arrangement of the center position and the position of the center of gravity of the 2D images (105, 106) and the enlargement / reduction of each image.
An important point of the three-dimensional display device that is the basis of the present invention is that the brightness of each of the 2D images (105, 106) is kept constant on the device having the above-described configuration while the overall brightness viewed from the observer 100 is constant. While changing the depth corresponding to the depth position of the three-dimensional object 104.
An example of the change is described below. In this case, since the drawing is a black and white drawing, the one having higher luminance is shown darker in the following drawings for easy understanding.
For example, when the three-dimensional object 104 is on the display surface 101, as shown in FIG. 10, the luminance of the 2D image 105 on the three-dimensional object 104 is made equal to the luminance of the three-dimensional object 104, The luminance of the chemical image 106 is set to zero.
[0006]
Next, for example, when the three-dimensional object 104 is located slightly away from the observer 100 and slightly closer to the display surface 102 side than the display surface 101, as shown in FIG. The brightness is slightly lowered and the brightness of the 2D image 106 is raised slightly.
Further, for example, when the three-dimensional object 104 is further away from the observer 100 and further closer to the display surface 102 side than the display surface 101, the luminance of the 2D image 105 is further increased as shown in FIG. The brightness of the 2D image 106 is further increased.
Finally, for example, when the three-dimensional object 104 is on the display surface 102, the luminance of the 2D image 106 on the three-dimensional object 104 is made equal to the luminance of the three-dimensional object 104, as shown in FIG. Of the 2D image 105 is zero.
By displaying in this manner, even if the displayed image is a 2D image (105, 106) due to physiological or psychological factors or an illusion of the observer (person) 100, the observer 100 is as if it were. It is felt that the three-dimensional object 104 is located between the display surfaces (101, 102).
That is, for example, when the 2D images (105, 106) of substantially equal luminance are displayed on the display surface (101, 102), the three-dimensional object 104 is located near the middle of the depth position of the display surface (101, 102). It feels like it is.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As a two-dimensional display device for displaying a two-dimensional image on the display surface described above, for example, a CRT, a liquid crystal display, an LED display, an EL display, a plasma display, an FED display, a projection display, a line drawing display, or the like is used. As the optical element, for example, a lens, a total reflection mirror, a partial reflection mirror, a curved mirror, a prism, a polarizing element, a wave plate, or the like is used.
Therefore, the three-dimensional display device described above has a problem that the configuration is complicated as described in the third and subsequent embodiments of the above-mentioned Patent Document.
The present invention has been made to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to suppress inconsistency between physiological factors of stereoscopic vision, and to perform three-dimensional without using glasses. An object of the present invention is to provide a compact three-dimensional display device capable of displaying a three-dimensional image and having a simple configuration.
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
That is, according to the present invention, when the display device, the variable focus lens device provided on the viewer side of the display device, and n is an integer of 2 or more, the focal length of the variable focus lens device is changed in n steps. The first means and the n-th display surface among the n display surfaces located at different depth positions as viewed from the observer in synchronization with the n-stage change in the focal length of the varifocal lens device. A second unit for causing the display device to display a two-dimensional image obtained by projecting the display target object from the line of sight of the observer, wherein the second unit includes the display unit. The varifocal lens device includes a first microlens array, and forms a reduced inverted real image of an original image by independently changing the brightness of a two-dimensional image displayed on the device for each of n two-dimensional images. A first lens set to be moved and the first hand A variable-focus microlens array that changes the focal length to n stages based on the above, and a second microlens array, and forms an enlarged erect real image of the reduced inverted real image formed by the first lens set. A second lens set that causes the enlarged erect real image and the original image on the plane to have the same size, and the varifocal microlens array has a focal point of the second microlens array. It is characterized by being arranged at a position.
[0009]
In addition, the present invention is provided on a display device and an observer side of the display device, and switches a polarization direction of a two-dimensional image incident from the display device to a first polarization direction and a second polarization direction. A polarization switching device, a polarization bifocal lens device provided on the viewer side of the polarization switching device, and a polarization direction of a two-dimensional image incident from the display device in the polarization switching device to the first polarization direction. When switching, one of the two-dimensional images of the two-dimensional images obtained by projecting the display target object from the direction of the observer's line of sight to two display surfaces at different depth positions as viewed from the observer is displayed. When displayed on the display device, or when the polarization direction of the two-dimensional image incident from the display device is switched to the second polarization direction in the polarization switching device, different depth positions viewed from the observer It is in Means for displaying on the display device the other two-dimensional image of the two-dimensional image projected from the line of sight of the observer on the display target object for one display surface, the three-dimensional display device, The means independently changes the luminance of the two-dimensional image displayed on the display device for each of the two two-dimensional images, wherein the polarizing bifocal lens device includes a first microlens array, A first lens group that forms a reduced inverted real image of the above, and a polarization type bifocal having a different focal length when the incident light is in the first polarization direction and when the incident light is in the second polarization direction. A second lens set that includes a microlens array and a second microlens array, and forms a magnified erect real image of the reduced inverted real image formed by the first lens set; Enlarged erect real image and element on the plane It is the same size and the image, and the polarization type bifocal microlens array, characterized in that it is arranged at the focal position of the second microlens array.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In all the drawings for describing the embodiments, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof will be omitted.
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of the three-dimensional display device according to the first embodiment of the present invention.
As shown in the figure, a three-dimensional display device of the present embodiment includes a self-luminous two-dimensional display device (hereinafter, simply referred to as a self-luminous display device) 201 and an observer side of the self-luminous display device 201. And a varifocal lens device 135 disposed at the same position.
As the self-luminous display device 201, for example, a CRT, a liquid crystal display, an LED display, an EL display, a plasma display, an FED display, a projection display, a line drawing display, or the like is used.
When n is an integer of 2 or more (n ≧ 2), the varifocal lens device 135 can change the focal length in n steps. In the following description, the case where n is 2 will be described. I do.
[0011]
In the present embodiment, the focal length of the varifocal lens device 135 is changed in two steps in a time-division manner, and the two-dimensional image displayed on the self-luminous display device 201 is converted into an image plane 1021 and an image plane 1022. Image.
When the two-dimensional image displayed on the self-luminous display device 201 is formed on the imaging plane 1021, the 2D image 105 described with reference to FIG. 9 is displayed on the self-luminous display device 201, and When the two-dimensional image displayed on the self-luminous display device 201 is formed on the image plane 1022, the self-luminous display device 201 displays the 2D image 106 described with reference to FIG. The luminance of the 2D images (105, 106) is changed as described with reference to FIGS.
By performing this operation within the afterimage time of the human eye, the three-dimensional display device of the present embodiment becomes optically equivalent to the three-dimensional display device shown in FIG.
In FIG. 2, reference numeral 111 denotes a display surface formed of a two-dimensional image formed on the image forming surface 1021, and reference numeral 112 denotes a display surface formed of a two-dimensional image formed on the image forming surface 1022.
Therefore, the three-dimensional display device of the present embodiment can display a three-dimensional stereoscopic image based on the above-described display principle of the three-dimensional display device that is the basis of the present invention.
[0012]
[Configuration of Variable Focus Lens Device 135 of First Embodiment]
Hereinafter, the variable focus lens device 135 which is a feature of the present embodiment will be described.
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of the varifocal lens device 135 according to the embodiment of the present invention.
As shown in the figure, the varifocal lens device 135 according to the present embodiment includes a first microlens array (L 0 ) And a varifocal microlens array (L 1 ) And a second microlens array (L 2 ) Is provided.
In the varifocal lens device 135 according to the present embodiment, the original image 10 on the plane is reduced by the first lens set 20 to form a reduced inverted real image 11, and the reduced inverted real image 11 is formed into a second image. The enlarged real image 12 of the original image 10 on the plane is enlarged by the lens set 21.
Here, the first microlens array (L 0 ) Is f 0 , The second microlens array (L 2 ) Is f 2 It is.
When m is a positive number of 1 or more, the reduction magnification of the original image 10 in the first lens set 20 is set to (1 / m), and the magnification of the reduced inverted real image 11 in the second lens set 21 is set. Is m. That is, when viewed from the reduced inverted real image 11, the magnification of the first lens set 20 and the magnification of the second lens set 21 are matched with each other, and the size of the enlarged erect real image 12 is changed to the original image on the plane. Make it the same size as 10.
Here, each lens of the microlens array mainly contributes to the imaging of a part of the original image corresponding to the diameter of each lens, and the original image 10 and its real image 12 have the same size. It is possible to reduce the image blur at the joint of the lenses.
[0013]
This variable focus microlens array (L 1 For example, a variable-focus microlens array using dual-frequency liquid crystal is used.
In addition, a varifocal microlens array (L 1 ) And a second microlens array (L 2 ) With the second microlens array (L 2 ). That is, the varifocal microlens array (L 1 ) To the second microlens array (L 2 ) At the focal position.
According to the varifocal lens device 135 of the present embodiment, the varifocal microlens array (L 1 By changing the focal length of (2), the distance between the second lens set 21 and the image forming position of the erect real image 12 of the original image 10 can be moved.
Normally, when the imaging position moves, the size of the image also changes. 1 ) To the second microlens array (L 2 By arranging them at the focal position (1), the image forming position can be moved without changing the size.
As described above, according to the varifocal lens device 135 of the present embodiment, the imaging position of the erect real image 12 of the original image 10 can be changed without changing the size of the erect real image 12 of the original image 10. It becomes possible.
[0014]
In the varifocal lens device 135 of the present embodiment, a concave lens type varifocal microlens array (L 1 ) And convex lens type micro lens array (L 2 ), The focal length (F) of the second lens set 21 is changed to the micro lens array (L) as the second lens set 21. 2 ) Alone (ie, the second microlens array (L 2 ) Focal length f 2 ) Longer.
Therefore, as shown in FIG. 4, the distance (O) between the second lens set 21 and the image formation position of the erect real image 12 of the original image is determined by changing the distance (O) between the original image 10 and the first lens set 20 on a plane. Can be made longer than the distance (R) between them.
Therefore, in the three-dimensional display device of the present embodiment, the distance between the self-luminous display device 201 shown in FIG. 1 and the varifocal lens device 135 can be reduced.
Further, in the three-dimensional display device of the present embodiment, only one self-luminous display device 201 and the variable-focus lens device 135 are arranged, and therefore, in the three-dimensional display device of the present embodiment, FIG. As compared with the conventional three-dimensional display device shown in (1), the configuration can be simplified and the device can be made compact.
[0015]
In the variable focus lens device 135 described above, the first micro lens array (L 0 ), Variable focus micro lens array (L 1 ) And a second microlens array (L 2 ) Is arranged at a position where the size of the enlarged erect real image 12 is the same as the size of the original image 10 on a plane.
In the variable focus lens device 135 described above, the first micro lens array (L 0 ), Variable focus micro lens array (L 1 ) Or the second microlens array (L 2 ) May use a Fresnel lens array or a hologram lens array.
In addition, by making the aberration of the first lens set 20 and the aberration of the second lens set 21 as close as possible, it is possible to obtain an enlarged erect real image 12 with little color shift and distortion.
In the above description, the case where the focal length of the varifocal lens device 135 is changed in two steps, but the focal length of the varifocal lens device 135 can be changed in two or more n steps.
In this case, in synchronization with the change of the focal length of the varifocal lens device 135 in n steps, the n-th display surface among the n display surfaces at different depth positions as viewed from the observer is displayed. Then, the self-luminous display device 201 displays a two-dimensional image obtained by projecting the display target object from the line of sight of the observer.
[0016]
Further, in the above description, for example, the depth position of the entire three-dimensional object is changed in two steps by time-division the focal length of the variable focus lens device 135, and the 2D image displayed on the self-luminous display device 201 is displayed. Although the method and apparatus for forming an image on the image plane 1021 and the image plane 1022 and expressing the image are mainly described, the three-dimensional display device according to the present embodiment has a tertiary It can also be used as a method and apparatus for expressing the depth of the original object itself.
Similarly, the three-dimensional display device of the present embodiment can be used even when the three-dimensional object itself moves as described in the above-mentioned patent document.
When the 2D image moves three-dimensionally, the movement of the observer in the left, right, up, and down directions can be performed by moving image reproduction in a transparent self-luminous display device as in the case of a normal two-dimensional display device. Regarding the movement in the depth direction, as described in the aforementioned patent document, the focal length of the varifocal lens device 135 is changed in two stages in a time-division manner, and the 2D image displayed on the self-luminous display device 201 is displayed. When images are formed on the image forming planes 1021 and 1022, the luminance of the 2D image displayed on the self-luminous display device 201 is temporally changed to express a moving image of a three-dimensional image. be able to.
[0017]
[Embodiment 2]
FIG. 5 is a diagram illustrating a schematic configuration of the three-dimensional display device according to the second embodiment of the present invention. As shown in the figure, the three-dimensional display device of the present embodiment is arranged on the self-luminous display device 201 and the observer side of the self-luminous display device 201, and is incident from the self-luminous display device 201. It includes a polarization switching device 150 that switches the polarization direction of the two-dimensional image between a first polarization direction and a second polarization direction, and a polarization bifocal lens device 136 provided on the viewer side of the polarization switching device 150.
As the self-luminous display device 201, for example, a CRT, a liquid crystal display, an LED display, an EL display, a plasma display, an FED display, a projection display, a line drawing display, or the like is used.
The polarizing bifocal lens device 136 is a lens having different focal lengths when the incident light has the first polarization direction and when the incident light has the second polarization direction.
[0018]
In the present embodiment, the polarization switching device 150 switches the polarization direction of the two-dimensional image output from the polarization switching device 150 between the first polarization direction and the second polarization direction in a time-division manner.
In addition, the polarizing bifocal lens device 136 has a different focal length when the incident light has the first polarization direction and when the incident light has the second polarization direction. In the embodiment, a two-dimensional image displayed on the self-luminous display device 201 can be formed on the imaging plane 1021 and the imaging plane 1022 by time division. When the two-dimensional image displayed on the self-luminous display device 201 is formed on the imaging plane 1021, the 2D image 105 described with reference to FIG. 9 is displayed on the self-luminous display device 201, and When the two-dimensional image displayed on the self-luminous display device 201 is formed on the image plane 1022, the self-luminous display device 201 displays the 2D image 106 described with reference to FIG. The luminance of the 2D images (105, 106) is changed as described with reference to FIGS.
By performing this operation within the afterimage time of the human eye, the three-dimensional display device of the present embodiment becomes optically equivalent to the three-dimensional display device shown in FIG.
Therefore, the three-dimensional display device of the present embodiment can display a three-dimensional stereoscopic image based on the above-described display principle of the three-dimensional display device that is the basis of the present invention.
[0019]
[Configuration of Polarization Type Bifocal Lens Device 136 of Second Embodiment]
Hereinafter, the polarization type bifocal lens device 136 which is a feature of the present embodiment will be described.
FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of the polarizing bifocal lens device 136 according to the embodiment of the present invention.
As shown in the figure, the polarization type bifocal lens device 136 of the present embodiment includes a first microlens array (L 0 ) And a polarizing bifocal microlens array (L 3 ) And a second microlens array (L 2 ) Is provided.
In the polarization type bifocal lens device 136 of the present embodiment, the first lens set 20 reduces the original image 10 on the plane to form the reduced inverted real image 11, and the reduced inverted real image 11 The enlarged real image 12 of the original image 10 on the plane is formed by enlarging by the second lens set 21.
When m is a positive number of 1 or more, the reduction magnification of the original image 10 in the first lens set 20 is set to (1 / m), and the magnification of the reduced inverted real image 11 in the second lens set 21 is set. Is m. That is, when viewed from the reduced inverted real image 11, the magnification of the first lens set 20 and the magnification of the second lens set 21 are matched with each other, and the size of the enlarged erect real image 12 is changed to the original image on the plane. Make it the same size as 10.
[0020]
Here, each lens of the microlens array mainly contributes to the imaging of a part of the original image corresponding to the diameter of each lens, and the original image 10 and its real image 12 have the same size. It is possible to reduce the image blur at the joint of the lenses.
In addition, a polarized bifocal microlens array (L 3 ) And a second microlens array (L 2 ) With the second microlens array (L 2 ). That is, a polarizing bifocal microlens array (L 3 ) To the second microlens array (L 2 ) At the focal position.
According to the polarizing bifocal lens device 136 of the present embodiment, the erect real image of the second lens set 21 and the original image 10 is obtained by changing the polarization direction of the light incident on the polarizing bifocal lens device 136. Twelve imaging positions can be moved.
Normally, when the imaging position moves, the size of the image also changes, but the polarization type bifocal microlens array (L 3 ) To the second microlens array (L 2 By arranging them at the focal position (1), the image forming position can be moved without changing the size.
As described above, also in the polarization type bifocal lens device 136 of the present embodiment, the imaging position of the erect real image 12 of the original image 10 can be changed without changing the size of the erect real image 12 of the original image 10. It becomes possible.
[0021]
FIG. 7 shows a polarization type bifocal microlens array (L 3 FIG. FIG. 7 shows a polarization type bifocal microlens array (L 3 ) Shows individual microlenses.
As shown in FIGS. 7A and 7B, a polarizing bifocal microlens array (L 3 Each of the microlenses includes a fixed focus lens 301 and a birefringent region 302.
Here, the fixed focus lens 301 is, for example, a convex lens made of glass or plastic shown in FIG. 7B, a concave lens made of glass or plastic shown in FIG. It is composed of a lens system formed by a combination of a concave lens and a prism, or a mirror system formed by a combination of a convex lens, a concave lens, and a prism made of glass or plastic.
The birefringent region 302 is made of, for example, a medium having biregion refraction, such as a liquid crystal or PLZT.
[0022]
Here, the refractive index of the fixed focus lens 301 is n1, and the refractive indices of the birefringent region 302 in the first polarization direction and the second polarization direction of the incident light are n21 and n22, respectively.
For example, when light is incident from the birefringent region 302, the light travels while feeling the refractive indices n21 and n22 according to the polarization direction of the incident light, and then comes into contact with the fixed focus lens 301 having the refractive index n1.
Therefore, the outgoing light forms an image at different positions according to the polarization state of the incident light. That is, a polarizing bifocal microlens array (L) whose focal length differs depending on the polarization direction. 3 ).
Conversely, when the light is incident from the fixed focus lens 301 side, the light is similarly separated and formed on two image forming planes by the refractive index according to the intrinsic polarization direction.
Here, as shown in FIG. 7, when the birefringent region 302 is a liquid crystal, the in-plane uniform separation can be obtained for the light incident from the birefringent region 302 side by adding the alignment film 303. .
[0023]
In addition, a polarization type bifocal microlens array (L 3 7), even when the fixed focus lens 301 is not provided, the same effect is obtained when one or both surfaces of the birefringent region 302 have a lens shape or a prism shape as shown in FIG.
Further, as a medium having birefringence, liquid crystal is useful because of its large refractive index anisotropy. Examples of the type of the liquid crystal include not only ordinary nematic liquid crystals but also polymer dispersed liquid crystals and holographic polymer dispersed liquid crystals. Liquid crystal, polymer liquid crystal, smectic liquid crystal, ferroelectric liquid crystal, polymer stabilized ferroelectric liquid crystal, and the like.
Further, it is clear that birefringence can be obtained by forming a polymer material other than liquid crystal with the main axes aligned.
As the polarization switching device 150 of the present embodiment, for example, a device using a medium (for example, liquid crystal, PLZT, or the like) whose birefringence can be changed by an electric field or voltage is well known. Many types of devices using liquid crystal are described in, for example, "Liquid Crystal and Basic Edition" and "Liquid Crystal and Application Edition" (Okano and Kobayashi, edited by Baifukan).
[0024]
As described above, also in the three-dimensional display device of the present embodiment, the distance between the self-luminous display device 201 shown in FIG. 1 and the polarizing bifocal lens device 136 can be shortened.
Furthermore, in the three-dimensional display device of the present embodiment, only one self-luminous display device 201 and the polarization type bifocal lens device 136 are arranged, so in the three-dimensional display device of the present embodiment, As compared with the conventional three-dimensional display device shown in FIG. 8, the configuration can be simplified and the device can be made compact.
In the above-described polarization type bifocal lens device 136, the first micro lens array (L 0 ), Polarized bifocal microlens array (L 3 ) And a second microlens array (L 2 ) Is arranged at a position where the size of the enlarged erect real image 12 is the same as the size of the original image 10 on a plane.
Further, in the above-mentioned polarization type bifocal lens device 136, the first micro lens array (L 0 ), Polarized bifocal microlens array (L 3 ) Or the second microlens array (L 2 ) May use a Fresnel lens array or a hologram lens array.
Further, by making the aberration of the first lens set 20 and the aberration of the second lens set 21 as close as possible, it is possible to obtain the enlarged erect real image 12 with less color shift and distortion.
[0025]
Further, in the above description, for example, the depth position of the entire three-dimensional object is changed in two steps in a time-divisional manner by changing the focal length of the polarizing bifocal lens device 136 to the 2D display displayed on the self-luminous display device 201. Although the method and apparatus for forming and expressing an image on the image plane 1021 and the image plane 1022 have been mainly described, the three-dimensional display device according to the present embodiment is configured as described in the aforementioned patent document. It can also be used as a method and apparatus for expressing the depth of a three-dimensional object itself.
Similarly, the three-dimensional display device of the present embodiment can be used even when the three-dimensional object itself moves as described in the above-mentioned patent document.
When the 2D image moves three-dimensionally, the movement of the observer in the left, right, up, and down directions can be performed by moving image reproduction in a transparent self-luminous display device as in the case of a normal two-dimensional display device. Regarding the movement in the depth direction, as described in the above-mentioned patent document, the focal length of the polarizing bifocal lens device 136 is changed in two stages in a time-division manner, and the 2D display displayed on the self-luminous display device 201 is performed. When images are formed on the image forming plane 1021 and the image forming plane 1022, the three-dimensional image moving image can be formed by temporally changing the luminance of the 2D image displayed on the self-luminous display device 201. Can be expressed.
The display surface of the two-dimensional image in each of the above-described embodiments does not necessarily need to be a flat surface from the viewpoint of the present invention, and may be a spherical surface, an elliptical surface, a quadratic surface, or another complicated curved surface. It is clear that the same effect can be obtained.
As described above, the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and can be variously modified without departing from the gist of the invention. Needless to say,
[0026]
【The invention's effect】
The following is a brief description of an effect obtained by a representative one of the inventions disclosed in the present application.
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the contradiction between the physiological factors of stereoscopic vision is suppressed, and a three-dimensional stereoscopic image of a color image can be displayed without using glasses, and the configuration is simple and compact. It is possible to provide a three-dimensional display device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a three-dimensional display device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a three-dimensional display device that is optically equivalent to the three-dimensional display device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a schematic configuration of a variable focus lens device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the operation of the variable focus lens device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a three-dimensional display device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of a polarizing bifocal lens device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining a schematic configuration of a polarizing bifocal microlens array according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a three-dimensional display device that is a basis of the present invention.
FIG. 9 is a diagram for explaining a method of generating a 2D image to be displayed on each display surface in the three-dimensional display device which is the basis of the present invention.
FIG. 10 is a diagram for explaining a display principle of a conventional three-dimensional display device.
FIG. 11 is a diagram for explaining the display principle of the three-dimensional display device that is the basis of the present invention.
FIG. 12 is a diagram for explaining a display principle of a three-dimensional display device that is a basis of the present invention.
FIG. 13 is a diagram for explaining the display principle of the three-dimensional display device that is the basis of the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference numeral 10: original image on a plane, 11: inverted real image, 12: erect real image, 20, 21: lens set, 100: observer, 101, 102, 111, 112: display surface, 103: optical system, 104: tertiary Original object, 105, 106: 2D image, 135: variable focus lens device, 136: polarization type bifocal lens device, 150: polarization switching device, 201: self-luminous type two-dimensional display device, 301: fixed focus lens, 302 ... Birefringent region, 303, alignment film, 1021, 1022, imaging surface, L 0 , L 2 ... Micro lens array, L 1 ... Variable focus micro lens array, L 3 ... Polarized bifocal microlens array.

Claims (5)

表示装置と、
前記表示装置の観察者側に設けられる可変焦点レンズ装置と、
ｎを２以上の整数とするとき、前記可変焦点レンズ装置の焦点距離をｎ段階に変化させる第１の手段と、
前記可変焦点レンズ装置の焦点距離のｎ段階の変化と同期して、観察者から見て異なった奥行き位置にあるｎ個の表示面の中でｎ番目の表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像を、前記表示装置に表示させる第２の手段とを備える三次元表示装置であって、
前記第２の手段は、前記表示装置に表示させる二次元像の輝度を、ｎ個の二次元像毎にそれぞれ独立に変化させ、
前記可変焦点レンズ装置は、第１のマイクロレンズアレイを含み、元画像の縮小倒立実像を結像させる第１のレンズ組と、
前記第１の手段に基づき焦点距離をｎ段階に変化させる可変焦点マイクロレンズアレイと、第２のマイクロレンズアレイとを含み、前記第１のレンズ組により結像された前記縮小倒立実像の拡大正立実像を結像させる第２のレンズ組とを有し、
前記拡大正立実像と前記平面上の元画像とは同じ大きさであり、かつ、前記可変焦点マイクロレンズアレイは、前記第２のマイクロレンズアレイの焦点位置に配置されることを特徴とする三次元表示装置。A display device;
A variable focus lens device provided on the viewer side of the display device,
first means for changing the focal length of the varifocal lens device to n stages, where n is an integer of 2 or more;
In synchronization with the n-stage change in the focal length of the varifocal lens device, an object to be displayed is displayed on the nth display surface among the n display surfaces at different depth positions as viewed from the observer. A two-dimensional image projected from the line of sight of the observer, a second means for displaying on the display device, a three-dimensional display device,
The second means changes the luminance of the two-dimensional image displayed on the display device independently for each of n n-dimensional images,
The variable focus lens device includes a first microlens array, and a first lens set that forms a reduced inverted real image of an original image;
A variable-focus microlens array for changing the focal length to n stages based on the first means; and a second microlens array, wherein the reduced inverted real image formed by the first lens set is enlarged. A second lens group for forming a real image,
The tertiary magnification is characterized in that the enlarged erect real image and the original image on the plane have the same size, and the varifocal microlens array is arranged at a focal position of the second microlens array. Original display device. 前記可変焦点マイクロレンズアレイは、二周波液晶を用いた可変焦点マイクロレンズアレイであることを特徴とする請求項１に記載の三次元表示装置。The three-dimensional display device according to claim 1, wherein the variable focus microlens array is a variable focus microlens array using dual frequency liquid crystal. 前記第１または第２のマイクロレンズアレイ、並びに、前記可変焦点マイクロレンズアレイは、フレネルレンズアレイ、あるいは回折レンズアレイであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の三次元表示装置。The three-dimensional display device according to claim 1, wherein the first or second microlens array and the varifocal microlens array are a Fresnel lens array or a diffractive lens array. 4. . 表示装置と、
前記表示装置の観察者側に設けられ、前記表示装置から入射される二次元像の偏光方向を第１の偏光方向と、第２の偏光方向とに切り替える偏光切替装置と、
前記偏光切替装置の観察者側に設けられる偏光型二焦点レンズ装置と、
前記偏光切替装置において前記表示装置から入射される二次元像の偏光方向を前記第１の偏光方向に切り替えたときに、前記観察者から見て異なった奥行き位置にある２つの表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像の中の一方の二次元像を前記表示装置に表示させ、あるいは、前記偏光切替装置において前記表示装置から入射される二次元像の偏光方向を前記第２の偏光方向に切り替えたときに、前記観察者から見て異なった奥行き位置にある２つの表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像の中の他方の二次元像を前記表示装置に表示させる手段とを備える三次元表示装置であって、
前記手段は、前記表示装置に表示させる二次元像の輝度を、２つの二次元像毎にそれぞれ独立に変化させ、
前記偏光型二焦点レンズ装置は、第１のマイクロレンズアレイを含み、元画像の縮小倒立実像を結像させる第１のレンズ組と、
前記入射される光が前記第１の偏光方向のときと、前記第２の偏光方向のときとで、焦点距離が異なる偏光型二焦点マイクロレンズアレイと、第２のマイクロレンズアレイとを含み、前記第１のレンズ組により結像された前記縮小倒立実像の拡大正立実像を結像させる第２のレンズ組とを有し、
前記拡大正立実像と前記平面上の元画像とは同じ大きさであり、かつ、前記偏光型二焦点マイクロレンズアレイは、前記第２のマイクロレンズアレイの焦点位置に配置されることを特徴とする三次元表示装置。A display device;
A polarization switching device that is provided on the viewer side of the display device and switches a polarization direction of a two-dimensional image incident from the display device to a first polarization direction and a second polarization direction,
A polarizing bifocal lens device provided on the viewer side of the polarization switching device,
When the polarization direction of the two-dimensional image incident from the display device is switched to the first polarization direction in the polarization switching device, two polarization planes at different depth positions viewed from the observer are displayed. One of the two-dimensional images projected from the line of sight of the observer on the display target object is displayed on the display device, or the two-dimensional image incident on the polarization switching device from the display device When the polarization direction is switched to the second polarization direction, the display object is projected from the line of sight of the observer onto two display surfaces at different depth positions as viewed from the observer. Means for displaying the other two-dimensional image in the two-dimensional image on the display device, a three-dimensional display device,
The means, the brightness of the two-dimensional image displayed on the display device is changed independently for each two two-dimensional images,
The polarizing bifocal lens device includes a first microlens array, and a first lens set that forms a reduced inverted real image of an original image;
When the incident light has the first polarization direction and the second polarization direction, the polarization type bifocal microlens array having a different focal length, and a second microlens array, A second lens set for forming an enlarged erect real image of the reduced inverted real image formed by the first lens set,
The enlarged erect real image and the original image on the plane have the same size, and the polarization type bifocal microlens array is disposed at a focal position of the second microlens array. 3D display device. 前記第１または第２のマイクロレンズアレイ、並びに、前記偏光型二焦点マイクロレンズアレイは、フレネルレンズアレイ、あるいは回折レンズアレイであることを特徴とする請求項４に記載の三次元表示装置。The three-dimensional display device according to claim 4, wherein the first or second microlens array and the polarization type bifocal microlens array are a Fresnel lens array or a diffractive lens array.
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