JP2007240965A - Three-dimensional display - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、立体表示ディスプレイに関し、詳しくは、時間分割、又は、時間分割と空間分割の併用型、方向性画像表示インテグラルフォトグラフィーの直視型立体ディスプレイ及び、プロジェクション型立体表示ディスプレイに関する。なお、本明細書において、「IP」は「インテグラルフォトグラフィー」を意味する。 The present invention relates to a stereoscopic display, and more particularly, to a time-division or a combination of time-division and space-division, a direct-viewing stereoscopic display for directional image display integral photography, and a projection-type stereoscopic display. In the present specification, “IP” means “integral photography”.
近年、3次元表示ディスプレイへの関心が高まるにつれ、よりリアルな立体表示システムが要求されるようになってきた。提案されている多くの方式の中でも、ホログラムのように、レーザ光を必要とせず、ディスプレイの解像度も光の波長オーダである必要もなく、かつ、カラー化が容易でメガネも不要、広視野化の可能性が高いものに、多視点型立体表示方式がある。 In recent years, as the interest in a three-dimensional display increases, a more realistic stereoscopic display system has been required. Among many proposed methods, unlike holograms, laser light is not required, display resolution is not required to be in the wavelength order of light, colorization is easy, glasses are not required, and a wide field of view is achieved. There is a multi-view type three-dimensional display method that has a high possibility of the above.
これは、基本となる2視点(2眼式)から、多視点(多眼式)、そして、視点数を多くし、非常にリアルな立体表示を可能にする、インテグラルフォトグラフィー(略号:IP)技術を用いた方式のことである(例えば非特許文献1〜5)。
なお、下記諸文献のうち、非特許文献1〜5以外は、後述の発明の開示の項中で参考文献として挙げられるものであり、非特許文献6はOCB、非特許文献7〜10はFLC、非特許文献11、12はDMD、非特許文献13はルミスティ、特許文献1は3次元線型空間結像光学系に関する文献である。
Of the following documents, those other than
IP技術を用いた方式では、上述のように、視点数を多くすればするほど、リアルな立体表示が可能になるが、その分、ディスプレイに要求される画素数が多くなり、非常に高価なものになる。画素数を一定と考え視点数を多くとるとその分、一方向の表示画像の解像度が劣化する(n視点に対し、1/nの解像度)。これは、多視点の表示を空間分割のみによって行っているためである。 In the method using the IP technology, as the number of viewpoints is increased as described above, realistic stereoscopic display is possible. However, the number of pixels required for the display is increased correspondingly, which is very expensive. Become a thing. If the number of viewpoints is increased by assuming that the number of pixels is constant, the resolution of the display image in one direction is degraded by that amount (1 / n resolution for n viewpoints). This is because multi-viewpoint display is performed only by space division.
よって、この問題を解決する方法として、時間分割を利用して、多視点の方向性画像を表示する方式が考えられる。これは、高速表示ディスプレイを用いて、ディスプレイ(プロジェクションの場合はスクリーン)からの光の方向を制御し、ある瞬間に、ある視点の方向性画像を表示し、高速に切り替えることによって、1フレーム表示時間内に、多視点の方向性画像をシーケンシャルに表示する方式である。この場合、解像度は劣化しないが、n視点に対し、n倍速の高速表示ディスプレイと、高速光方向制御システムが必要となる。 Therefore, as a method of solving this problem, a method of displaying a multi-viewpoint directional image using time division can be considered. This is because a high-speed display is used to control the direction of light from the display (screen in the case of projection), and at a certain moment, a directional image of a certain viewpoint is displayed and switched at high speed to display one frame. This is a method of sequentially displaying multi-directional directional images within a time period. In this case, although the resolution is not deteriorated, an n-times high-speed display and a high-speed light direction control system are required for n viewpoints.
直視型の場合、高速表示用の液晶ディスプレイとしてはOCB(非特許文献6)やFLC(非特許文献7〜10)等が考えられるが、薄型で光の利用効率がよく、かつ、多視点に対応できる高速光方向制御システムとしてのバックライトが現在存在しない。また、プロジェクションシステムの場合、高速画像表示デバイスとして、LCDやLCOSタイプとしては、OCBやFLCのモードがあり、その他DMDタイプのもの(非特許文献11,12)が存在するが、高速光方向制御が可能な投射光学系が現在存在しない。
In the case of the direct-view type, OCB (Non-Patent Document 6), FLC (
そこで、本発明の第1の目的は、薄型で光の利用効率がよく、かつ、多視点に対応できる高速光方向制御バックライトを提供することである。また、第2の目的は、プロジェクション用として、高速光方向制御が可能な投写光学系を提供することである。
上述の技術は、空間分割を時間分割に変えることによって、多視点のインテグラルフォトグラフィーを実現する方式に関するものであるが、よりリアルな立体表示ディスプレイを目的とした場合、視点数をできるだけ多く、かつ、解像度も上げる必要もある。この場合、上述の時間分割のみによる方式では、画像表示デバイスの高速応答特性の限界が、視点数を決めてしまう。そこで、画素数は多くなるが、空間分割方式と、時間分割方式を併用することが考えられる。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, a first object of the present invention is to provide a high-speed light direction control backlight that is thin, has good light use efficiency, and can handle multiple viewpoints. A second object is to provide a projection optical system capable of high-speed light direction control for projection.
The technology described above relates to a method for realizing multi-view integral photography by changing space division to time division, but for the purpose of more realistic stereoscopic display, the number of viewpoints is as large as possible. In addition, it is necessary to increase the resolution. In this case, in the method using only the time division described above, the limit of the high-speed response characteristic of the image display device determines the number of viewpoints. Therefore, although the number of pixels increases, it is conceivable to use both the space division method and the time division method.
本発明の第3の目的は、第1の目的の高速光方向制御バックライトを用い、画像表示ディスプレイに空間分割方式を採用して、時間分割方式と空間分割方式を併用した、インテグラルフォトグラフィー方式の立体表示ディスプレイ(直視型)を提供することである。
第4の目的は、第3の目的のプロジェクションシステムバージョンであり、第2の目的の高速光方向制御が可能な投射光学系に複数の光学エンジンまたはプロジェクタを用い、時間分割と空間分割を併用したインテグラルフォトグラフィー方式の立体表示ディスプレイ(投写型)を提供することである。
A third object of the present invention is an integral photography that uses the high-speed light direction control backlight of the first object, adopts a space division method for an image display, and uses both a time division method and a space division method. It is to provide a 3D display (direct view type) of the system.
The fourth purpose is a projection system version for the third purpose, which uses a plurality of optical engines or projectors in the projection optical system capable of high-speed light direction control, and uses both time division and space division. It is to provide an integral photography type stereoscopic display (projection type).
前記目的を達成するための本発明は、以下のとおりである。
本発明(1)は、3次元線型空間結像光学系を有するバックライトである(:請求項1)。
本発明(1−2)は、3次元線型空間結像光学系を有するバックライトと、該バックライトからの出射光の方向を制御する手段とを有することを特徴とするバックライトシステムである(:請求項2)。
To achieve the above object, the present invention is as follows.
The present invention (1) is a backlight having a three-dimensional linear space imaging optical system (: claim 1).
The present invention (1-2) is a backlight system comprising a backlight having a three-dimensional linear spatial imaging optical system and means for controlling the direction of light emitted from the backlight ( : Claim 2).
本発明(2)は、本発明(1−2)のバックライトシステムに空間光変調器型の画像表示デバイスを組合わせてなり、n視点インテグラルフォトグラフィーの指向性画像を、時間分割で光の方向を変化させて、高速にn枚表示することを特徴とする立体表示ディスプレイである(:請求項3)。ここで、「高速に」とは、定量的には、毎秒60n枚の画像表示を意味し、「n」は2以上の整数であり、「指向性」は「方向性」と同義である(以下同じ)。 In the present invention (2), a spatial light modulator type image display device is combined with the backlight system of the present invention (1-2), and a directional image of n-view integral photography is optically divided in a time division manner. The three-dimensional display is characterized in that n sheets are displayed at a high speed by changing the direction of (3). Here, “at high speed” quantitatively means displaying 60n images per second, “n” is an integer of 2 or more, and “directivity” is synonymous with “direction” ( same as below).
本発明(3)は、本発明(2)において、前記画像表示デバイスに、インテグラルフォトグラフィーによる空間分割方式が組合わされてなり、時間分割でn視点、空間分割でm視点の表示を行うことを特徴とする立体表示ディスプレイである(:請求項4)。ここで、「m」は2以上の整数である(以下同じ)。
本発明(3−2)は、本発明(3)において、前記時間分割の方向と、前記空間分割の方向が互いにほぼ直交することを特徴とする立体表示ディスプレイ(詳しくは、時間分割方向・空間分割方向直交併用型インテグラルフォトグラフィー立体表示ディスプレイ)である(:請求項5)。
According to the present invention (3), in the present invention (2), the image display device is combined with a space division method by integral photography to display n viewpoints by time division and m viewpoints by space division. A three-dimensional display characterized by: (Claim 4). Here, “m” is an integer of 2 or more (hereinafter the same).
The present invention (3-2) is the stereoscopic display according to the present invention (3), wherein the time division direction and the space division direction are substantially orthogonal to each other (specifically, the time division direction / space (Division direction orthogonal combination type integral photography stereoscopic display): (Claim 5).
本発明(4)は、プロジェクションディスプレイにおいて、スクリーンからの出射光の方向を時間分割で切り替える手段を有することを特徴とするプロジェクション立体表示ディスプレイである(:請求項6)。
本発明(5)は、本発明(4)において、前記切り替える手段が、n視点インテグラルフォトグラフィーの指向性画像を、時間分割で光の方向を変化させて、高速にn枚表示する、1個の画像表示デバイスと拡大投写光学系とからなることを特徴とするプロジェクション立体表示ディスプレイ(詳しくは、時間分割シーケンシャルインテグラルフォトグラフィー方式プロジェクション立体表示ディスプレイ)である(:請求項7)。
The present invention (4) is a projection three-dimensional display characterized by having means for switching the direction of light emitted from the screen in a time division manner in the projection display.
According to the present invention (5), in the present invention (4), the switching means displays n directional images of n-view integral photography at a high speed by changing the direction of light in a time division manner. A projection three-dimensional display (specifically, a time-division sequential integral photography type projection three-dimensional display) comprising a single image display device and an enlarged projection optical system.
本発明(6)は、本発明(5)において、前記1個に代えてm個としてなり、該m個の画像表示デバイスの各々がn視点インテグラルフォトグラフィーの指向性画像を、時間分割で光の方向を変化させて、高速にn枚表示することにより、時間分割でn視点、空間分割でm視点の表示を行うことを特徴とする立体表示ディスプレイ(詳しくは、時間分割・空間分割併用型シーケンシャル・インテグラルフォトグラフィー方式プロジェクション立体表示ディスプレイ)である(:請求項8)。 According to the present invention (6), in the present invention (5), there are m instead of the one, and each of the m image display devices converts a directional image of n-view integral photography by time division. Three-dimensional display that displays n viewpoints by time division and m viewpoints by space division by changing the direction of light and displaying n images at high speed (more on both time division and space division in detail) Type sequential integral photography type projection stereoscopic display) (claim 8).
本発明によれば、薄型で光の利用効率がよく、かつ、多視点に対応できる高速光方向制御バックライトが得られる。また、プロジェクション用として、高速光方向制御が可能な投写光学系が得られる。また、前記高速光方向制御バックライトを用い、画像表示ディスプレイに空間分割方式を採用して、時間分割方式と空間分割方式を併用した、インテグラルフォトグラフィー方式の立体表示ディスプレイ(直視型)が得られる。また、前記高速光方向制御が可能な投射光学系に複数の光学エンジンまたはプロジェクタを用い、時間分割と空間分割を併用したインテグラルフォトグラフィー方式の立体表示ディスプレイ(投写型)が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a high-speed light direction control backlight that is thin, has high light utilization efficiency, and can handle multiple viewpoints. Further, a projection optical system capable of high-speed light direction control can be obtained for projection. In addition, using the high-speed light direction control backlight and adopting the space division method for the image display display, an integral photography type stereoscopic display (direct view type) that uses both the time division method and the space division method is obtained. It is done. Further, an integral photography type stereoscopic display (projection type) using a plurality of optical engines or projectors in the projection optical system capable of high-speed light direction control and using both time division and space division is obtained.
〔直視型について〕
本発明(1)ないし(1−2)の3次元線型空間結像光学系(特許文献1)の例を図1に示す。同図の(a)は等倍の場合で、焦点距離fのレンズ3を2枚、互いの光軸10を一致させ、距離2f離して配置した光学系であり、(b)は拡大の場合で、焦点距離f1,f2のレンズ(第1レンズ,第2レンズ)4,5を、互いの光軸10を一致させ、距離f1+f2離して配置した光学系である。図1(a)の左側のレンズ3から左方に距離fの位置にある立体グリッドは、物体に対する3次元座標を表す物体グリッド1であり、右側のレンズ3から右方に距離fの位置にある立体グリッドは、結像に対する3次元座標を表す結像グリッド2である(図1(b)でも同様)。この光学系は、物体グリッド1の一点から出た光の位置と方向を、結像グリッド2に、光軸対称変換した状態で、再生するものである。よって、物体グリッド1の任意の点の光線の位置と方向は、結像グリッド2の光線の位置と方向において、光軸10に関し対称変換すると完全に一致するものである。
[Direct view type]
An example of the three-dimensional linear space imaging optical system (Patent Document 1) of the present invention (1) to (1-2) is shown in FIG. (A) of the figure shows an optical system in which two
今、図1(a)の物体グリッド1上の一点Aに着目する。この点Aに入射する光線の方向を、図に示すように光軸方向に対し左右に変化させたとする。結像グリッド2上の点A´(点Aに対応する点)では、点Aへの入射方向が、光軸10に対し対称変換され、点A´での出射方向となるため点A´でも図に示す様に、光軸10に対して左右に光線の方向が変化する。点Aへの光軸10に対する光の入射角を±θ1とすると、点A´からの光の出射角は−(±θ1)である。
Now, pay attention to one point A on the
図1(b)に示される拡大の場合も同様に、第1レンズ4から左方に距離f1の位置にある物体グリッド1上の一点Bへの光の入射角を変化させ、光軸方向に左右に光線を変化させると、第2レンズ5から右方に距離f2の位置にある結像グリッド2上の点B´(点Bに対応する点)でも出射光は光軸10に対し、左右対称に変化することになる。
点Bへの入射角を±θ2とすると出射角は−(±θ3)であり、θ2とθ3の関係は次式で表される。
Similarly, in the case of the enlargement shown in FIG. 1B, the incident angle of the light to the point B on the
When the incident angle to the point B is ± θ 2 , the emission angle is − (± θ 3 ), and the relationship between θ 2 and θ 3 is expressed by the following equation.
図1(a),(b)に示す画像表示デバイス面6には、バックライトの場合、単なる開口が存在するだけであり、結像面7がバックライトの出射面である。リアまたはフロントのプロジェクションシステムの場合は、画像表示デバイス面6にLCD、LCOS、DMD等のデバイスの面が存在し、結像面7にはスクリーンの面が存在する。
上述の議論より、図1(a),(b)に示す画像表示デバイス面6で平行光の入射角を変化させると、結像面7でも平行光になり、(1)式で記述される関係で光の方向は変化する。
In the case of a backlight, the image
From the above discussion, when the incident angle of the parallel light is changed on the image
図1に示す3次元線型空間結像光学系は、画像表示デバイス面6を非常に大きな角で斜めに傾けても、(θ4,θ5を大きくしても、)結像面7では台形歪が全く発生せず、超薄型リアプロジェクションシステムに適した光学系である。
この特性を、バックライトシステムに応用すると、3次元線型空間結像光学系を有する薄型バックライトシステムが実現することになる。この薄型バックライトシステムは通常のバックライトのように導光板や拡散板によって光出力を制御しているものではなく、結像を用いて、光出力を制御しているため、光方向制御性において、非常にすぐれた特性が得られる。
The three-dimensional linear spatial imaging optical system shown in FIG. 1 has a trapezoidal shape on the
When this characteristic is applied to a backlight system, a thin backlight system having a three-dimensional linear spatial imaging optical system is realized. This thin backlight system does not control the light output by a light guide plate or a diffusing plate like a normal backlight, but controls the light output by using image formation. , Very good characteristics can be obtained.
図2に薄型バックライトシステム用の3次元線型空間結像光学系の例を示す。これは、図1において第2レンズ5に代えて、これと光学的に等価な第2レンズ機能用反射鏡8とし、その光の当たる部分のみを用いたものである。結像面7は、光軸とほぼ平行となるよう、倍率f2/f1と、画像表示デバイス面6の傾きθ5を設定する。
図1(b)における、拡大倍率f2/f1と、θ5、θ6の関係は、次式となる。この関係は、図2でも同様に成立する。
FIG. 2 shows an example of a three-dimensional linear spatial imaging optical system for a thin backlight system. This is a second lens
The relationship between the magnifications f 2 / f 1 and θ 5 and θ 6 in FIG. This relationship is similarly established in FIG.
画像表示デバイス面6に仮に画像表示デバイスの面が実在するとして、画素を考えると、画像表示デバイス上の画素の縦と横の比率であるアスペスト比は、結像面7では変化するが、バックライトに用いる場合、この問題は存在しない。
図3に、3次元線型空間結像光学系を有する光方向制御薄型バックライトシステムの内部構造を示す。これは、図2において結像面7にプリズムシート9を設置し、バックライト出射面の法線方向を中心に出射光の方向を可変としたものである。画像表示デバイス面6にはレンズ11(:焦点距離fD)が設置されている。レンズ11の主平面は、画像表示デバイス面6と一致し、かつ、レンズ11の中心(節)は、3次元線型空間結像系の光軸10上に位置する。光の方向を切り替える手段として例えば複数のLED(超高輝度LED)12が、画像表示デバイス面6に設置したレンズ11の前方焦点面13に設置されている。なお、14はレンズ11の光軸である。
Assuming that the surface of the image display device actually exists on the image
FIG. 3 shows an internal structure of a light direction control thin backlight system having a three-dimensional linear spatial imaging optical system. In FIG. 2, a
よって、いずれか1つの超高輝度LED12から出射した光は、レンズ11によってほぼ平行光となり、3次元線型空間結像光学系へ入射される。この平行光の方向は、LED12の位置とレンズ11の中心(節)位置を結ぶ直線の方向となる。よって、複数のLED12を、図示のように紙面に対し手前から斜め奥側への順に設置し、この設置順と同じ順番に1つずつ発光させると、3次元線型空間結像光学系へ入射する平行光の方向が図示のように変化し、結像面7にあるプリズムシート9によって、方向を変えられた出射平行光の方向も、図示のように変化する。図より明らかなように、出射平行光の方向は、LED12の設置位置によって設計できる。
Therefore, the light emitted from any one of the
図3の構造を筐体内に実装してなるバックライト(薄型バックライトまたは薄型バックライトシステム)15を図4に示す。バックライト15の出射面16は、図3では裏向きに描いたが、図4では表向きに描いた。
筐体内部のLED12(図4では隠れて見えない)を順次1つずつ発光させると、ほぼ平行な光がプリズムシート9の全面から出射し、プリズムシート9の法線方向を中心に左右に変化する。
FIG. 4 shows a backlight (thin backlight or thin backlight system) 15 in which the structure of FIG. 3 is mounted in a housing. The
When the
すなわちこのバックライト15は、3次元空間結像光学系を有する時間分割光方向制御バックライトである。これを、インテグラルフォトグラフィーに用いるためには、出射光に集光機能を付加する必要がある。なぜなら、指向性画像間のクロストークをなくすために、各指向性画像可視域を分離しなければならないからである。図4に示すバックライト15は、左右方向のみの指向性画像表示を考えているので、左右方向のみの集光機能として、図5に示すように、プリズムシート9の上にフレネルシリンドリカルレンズ17を追加配置する。
That is, the
プリズムシート9からの出射光はほぼ平行光であったため、フレネルシリンドリカルレンズ17の焦点面18にほぼライン状に集光することになる。ただし、LED12(図3参照)の発光部の大きさが、デルタ関数のような点ではなく、有限の大きさを持っているため、この集光したラインは幅をもつこととなる。これが、図5に示す指向性画像可視領域#1〜#9の個々における左右方向の幅となる。この幅の大きさの制御はLED12(図3参照)の発光部の大きさや、各LEDランプのホモジェナイザの大きさ等で設計可能である。指向性画像可視領域#1〜#9は、9個の超高輝度LED12(図3参照)のそれぞれに対応しており、1つずつ順次発光させると、バックライト出射面であるフレネルシリンドリカルレンズ17全面から出た光は、指向性画像可視領域#1、#2、#3、…、#9の、対応する1つの領域に集まり、かつ、順次光の集まっている1つの領域が、#1、#2、#3、…#9の順(可視領域シーケンス19の順)に変化してゆくことになる。
Since the light emitted from the
もっとも、図5に示すバックライト15は、左右方向の光の制御はできているが、上下方向に対しては平行光のままであるため、このバックライト15の上に高速画像表示液晶ディスプレイを設置しても、見ている正面の1部のみが見え、ディスプレイの上下は、目に光が入らないため、見えないことになる。よって、上下方向のみに光を拡散するフィルムが必要である。左右方向の拡散は、各指向性画像のクロストークを発生させるため、拡散フィルムに左右方向の拡散特性が無いことが望ましい。レンティキュラレンズシートによる拡散も考えられるが、プリズムシート9やフレネルシリンドリカルレンズ17とのモアレが発生し、好ましくはない。よって、理想形態としては光を一方向にのみ拡散させる一方向拡散フィルム(D-film)を、その一方向(光拡散方向)を図5の上下方向に一致させて上下方向拡散用として、プリズムシート9上に配置した形態が考えられる。このD-filmとしてはルミスティ(非特許文献13)が挙げられる。このD-filmを上下方向拡散用フィルムとして使用した例を図6に示す。図中の20は、プリズムシート9(図4参照)上にフレネルシリンドリカルレンズ17(図5参照)を配置し、さらにその上に前記D-filmを上下方向拡散用フィルムとして配置してなる3層構造膜である。図6に示す時間分割光方向制御バックライトは、D-filmによってディスプレイの上下が見えるようになっただけでなく、上下の視野角も拡大している。さらにこのD-filmは、バックライトのプリズムシート9とフレネルシリンドリカルレンズ17のモアレもなくす役目も果たしている。
However, although the
図6中の20(プリズムシート9の上にフレネルシリンドリカルレンズ17を積層し、さらにこの上にD-filmを積層したもの)の上に、空間光変調器型高速画像表示ディスプレイ(OCBやFLC等の液晶ディスプレイ)を設置したものが本発明(2)の立体表示ディスプレイに相当する。図6の指向性画像可視領域(#1〜#9)を選択する超高輝度LED12(図3参照)を順次1つずつ発光させ、これに同期させて、ディスプレイで対応する指向性画像を順次高速に表示するようにすると、指向性画像可視領域(#1〜#9)でディスプレイを観ている人には、立体映像が見えることになる。さらに、この観測者が視線移動を、指向性画像可視領域(#1〜#9)内で行った場合、移動に伴う立体映像変化が見られるため、よりリアルな立体視を感じることができる。以上が、本発明(1)、(1−2)のバックライト(またはバックライトシステム)及び本発明(2)の立体表示ディスプレイについての説明である。
Spatial light modulator type high-speed image display (OCB, FLC, etc.) on 20 in FIG. 6 (the Fresnel
本発明のバックライトシステムを用いた立体表示ディスプレイは、従来のようにパララックスバリアやレンティキュラレンズシステムに要求される画素との位置合わせが不要であり、製作が容易である。さらにパララックスバリアのような光を吸収するスリットは存在しないため、光の利用効率もよい。加えて、視点数の変更においても、超高輝度LEDの数や位置を変えるだけで対応可能であるため、設計に対する自由度も大きい。 A stereoscopic display using the backlight system of the present invention does not require alignment with pixels required for a parallax barrier or a lenticular lens system as in the prior art, and is easy to manufacture. Furthermore, since there is no slit for absorbing light, such as a parallax barrier, the light utilization efficiency is good. In addition, since the number of viewpoints can be changed simply by changing the number and position of the super-bright LEDs, the degree of freedom in design is great.
次に、本発明(3)、(3−2)の立体表示ディスプレイについて説明する。
立体表示ディスプレイは、視点数が多い方がよりリアルな立体表示を実現できるものである。本発明(1)ないし(1−2)のバックライトないしバックライトシステムを用いた本発明(2)の立体表示ディスプレイは、n視点インテグラルフォトグラフィーの方向性(指向性)画像を、時間分割で光の方向を変化させて、高速にn枚表示するものであるが、視点数nの上限値は、用いる高速表示ディスプレイのデバイスの応答速度の限界により、決まってしまう。そこで、この時間分割のみによるnの上限値を超えるために、本発明(3)、(3−2)の立体表示ディスプレイは、時間分割方式と空間分割方式を併用するものである。
Next, the stereoscopic display of the present invention (3) and (3-2) will be described.
The stereoscopic display can realize more realistic stereoscopic display when the number of viewpoints is large. The stereoscopic display of the present invention (2) using the backlight or the backlight system of the present invention (1) to (1-2) is a time-dividing directional (directional) image of n-view integral photography. The number of viewpoints n is determined by the limit of the response speed of the device of the high-speed display to be used. Therefore, in order to exceed the upper limit value of n only by this time division, the stereoscopic display of the present invention (3) and (3-2) uses both the time division method and the space division method.
今、時間分割n視点、空間分割m視点の場合、トータルの視点数はn×m視点となる。この場合、画素数一定と考えると、指向性(方向性)画像の解像度は1/mとなっている。その一例として図7に、横方向時間分割・縦方向空間分割併用型IP-LCD(例:横9視点×縦5視点=トータル45視点)を示す。図7のバックライトシステム15は図6のそれと同じものであり、横方向の指向性画像可視領域#1〜#9を時間分割で高速に切り替える働きをする。
Now, in the case of time division n viewpoints and space division m viewpoints, the total number of viewpoints is n × m viewpoints. In this case, assuming that the number of pixels is constant, the resolution of the directional (directional) image is 1 / m. As an example, FIG. 7 shows a horizontal time division / vertical space division type IP-LCD (example: 9 horizontal viewpoints × 5 vertical viewpoints = total 45 viewpoints). The
このバックライトシステム15の上に設置してある空間分割縦方法多眼LCD21(例:縦5視点)は、レンティキュラレンズ方式の縦方向のみのIPディスプレイである。よって、バックライトシステム15の内部の1つの指向性画像可視領域#1に対応する超高輝度LEDが発光すると、縦に細長い領域#1内で、縦方向の指向性画像が、それぞれ領域a〜e内で5視点分同時に表示されることになる。次の瞬間に領域#2に対応するLEDの発光に同期させて、領域#2内の領域a〜eに対応する縦5視点分の指向性画像を表示すると、当該#2内の領域a〜e内で、それぞれに対応する指向性画像を見ることができる。このプロセスを#1〜#9の順に高速に繰り返し、次のフレームの#1〜#9の表示を同様に行い、動画立体表示を行うものである。
The space-divided vertical multi-lens LCD 21 (for example, five vertical viewpoints) installed on the
図7の例では、45視点分のIPを5視点分の画素数で実現しており、空間分割のみで45視点分表示する従来型IPと比較して、時間分割分の9倍の解像度が実現することになる。また、この例のように、縦と横のそれぞれ直交した方向の片方を空間分割(又は時間分割)とし、もう片方を時間分割(又は空間分割)とすること(本発明(3−2)に該当)により、簡単な構造で、時間分割方式と空間分割方式を併用できる長所を有している。 In the example of FIG. 7, the IP for 45 viewpoints is realized with the number of pixels for 5 viewpoints, and the resolution of 9 times the time division is compared to the conventional IP that displays only 45 viewpoints by space division alone. Will be realized. Also, as in this example, one of the vertical and horizontal directions orthogonal to each other is set to space division (or time division), and the other is set to time division (or space division) (in the present invention (3-2)). Applicable) has an advantage that the time division method and the space division method can be used together with a simple structure.
次に、図7Aは、横方向空間分割(3視点)、横方向時間分割(3視点)の例を、1画素分の構造のみ示したものである。レンティキュラレンズ31〜34の焦点距離は全て同じfであり、レンティキュラレンズ31と32及び33と34の主平面間距離はfであり、レンティキュラレンズ32と33の主平面と、LCDの画素51、52、53の画素面は、ほぼ同一平面内に設置する。横方向(または縦方向)のみに、時間分割と空間分割を併用する場合に必要な超高輝度LEDの数は、表示しようとする視点数と同数、すなわち時間分割数×空間分割数(この例では3×3=9個)となる。
Next, FIG. 7A shows an example of horizontal space division (three viewpoints) and horizontal time division (three viewpoints) only for the structure of one pixel. The focal lengths of the
LCDの1画素中には、空間分割の3視点分の3画素51、52、53が存在する。これら3画素51、52、53のそれぞれの画素面は、3つの領域に分かれており、図に示す領域41〜43、44〜46、47〜49である。LCDのデバイスとしては領域41〜43に対し分かれているわけではないが、LEDの光が集光して通過する位置が異なる。領域44〜46、47〜49に対しても同様である。よって図7Aの場合LED9個の集光する位置が、領域41〜49で存在する画素は3つ(集光する領域41〜43を合わせた領域が画素51、同様に集光する領域44〜46を合わせた領域が画素52、同様に集光する領域47〜49を合わせた領域が画素53)である。駆動は、左から領域41、44、47に対応してLED3つを同時に発光させ、当該各領域に対応する指向性画像をLCDの空間分割3画素で同時に表示する。次の瞬間に領域42、45、48に対応するLED3つを同時に発光させ、当該各領域に対応する指向性画像をLCDの空間分割3画素で同時に表示する。最後の瞬間に領域43、46、49に対応するLED3つを同時に発光させ、当該各領域に対応する指向性画像をLCDの空間分割3画素で同時に表示する。以上のプロセスを1フレームと考え、動画表示を行うと、横方向9視点分のIPを、通常の3倍速のデバイスを用い、3視点分の画素数で実現できることになる。
In one pixel of the LCD, there are three
図7Aに例示した方式(空間分割と時間分割の併用を、同じ方向(横と横、又は縦と縦)に適用する方式)は、図7に例示した方式(空間分割と時間分割を直交する方向である縦と横あるいは横と縦に適用する方式)に比べ、レンティキュラレンズ4枚の位置合わせと、‘時間分割数×空間分割数’分の超高輝度LEDが必要であり、より複雑な構造となっているが、横方向のみにできるだけ多くの視点数を必要とする用途や、デバイスの応答速度があまり高速でない場合の一方向の視点数確保には、威力を発揮できる方式である。 The method illustrated in FIG. 7A (a method in which a combination of space division and time division is applied in the same direction (horizontal and horizontal, or vertical and vertical)) is the method illustrated in FIG. 7 (space division and time division are orthogonal to each other). Compared to the direction (vertical and horizontal or horizontal and vertical), alignment of four lenticular lenses and ultra-bright LEDs equivalent to the number of time divisions × number of space divisions are necessary and more complicated. Although it has a simple structure, it is a powerful system for applications that require as many viewpoints as possible only in the horizontal direction, and for securing the number of viewpoints in one direction when the device response speed is not very high. .
以上で、直視型についての説明を終える。
〔投写(プロジェクション)型について〕
次に、本発明(4)、(5)のプロジェクション立体表示ディスプレイの説明を行う。これらは、プロジェクション型に時間分割シーケンシャルインテグラルフォトグラフィー方式を適用したものであり、その一例を図8に示す。図ではプロジェクション立体表示ディスプレイをなす光学系の展開状態を示した。時間分割視点数分だけの超高輝度LED12が、同一平面内の一方向(この例では横方向)に並んだ5視点の領域A〜Eにそれぞれ1個ずつ(計5個)設置してある。
This is the end of the description of the direct view type.
[Projection type]
Next, the projection stereoscopic display of the present invention (4) and (5) will be described. These apply a time division sequential integral photography system to a projection type, and an example is shown in FIG. In the figure, the developed state of the optical system constituting the projection stereoscopic display is shown.
画像表示デバイス22は、焦点距離f1のレンズ4の主平面に設置してある。レンズ4は2枚構成であり、この2枚のレンズの間に画像表示デバイス22が存在する。画像表示デバイス22の面とLED12の設置領域A〜Eが乗る平面とは平行であり、これら二面間の距離はa1である。領域A〜Eのうち中央の領域Cがレンズ4の光軸上に位置する。
焦点距離f2のレンズ5はプロジェクションシステムの拡大結像系(本発明(5)、(6)にいう拡大投写光学系に該当)であり、実際は複数のレンズで構成される。レンズ5の光軸はレンズ4の光軸と一致しており、レンズ4,5の主平面は互いに平行で、主平面間距離は、b1(=a2)である。このとき、a1、b1、f1の関係は次式となる。
The
The focal length f 2 of the
焦点距離f3のフレネルレンズ23はリアプロジェクションシステムのスクリーン面に存在する。フレネルレンズ23の光軸は焦点距離f2のレンズ5の光軸と一致しており、レンズ5,23の主平面は互いに平行で、主平面間距離はb2(=a3)である。このとき、a2、b2、f2の関係は次式となる。
今、(3)式に注目すると、5つの超高輝度LED12の像が焦点距離f1のレンズ4の働きによって、焦点距離f2のレンズ5の主平面に結像する。この結像する領域A’〜E’を点線丸印で示した。時間分割の場合、5つの超高輝度LED12は、ある瞬間には1つのみ発光しているため、領域A’〜E’のうちいずれか1つのみに光が集光し、そこにLED12の像が結像する。なお、このシステムに用いる超高輝度LED12の発光面はホモジェナイズされているものとする。領域A’〜E’のうちいずれか1つに集光した光は、焦点距離f1のレンズ4全体を通過するため、レンズ4の主平面上に設置した画像表示デバイス22で表示した画像情報の全てを有している。
Now, paying attention to the expression (3), the images of the five
次に(4)式に注目すると、画像表示デバイス22で表示した画像情報は焦点距離f2のレンズ5の働きによって、焦点距離f3のフレネルレンズ23の主平面上に拡大結像する。図より明らかなように、5つの領域A〜Eのうちのいずれに位置するLED12が発光しても、該発光した光は焦点距離f1のレンズ4の主平面上の、画像表示デバイスで表示している画像情報を対応する領域A’〜E’上のLED結像を介して、焦点距離f3のフレネルレンズ23の主平面上の同じ位置に、拡大結像させうる。
Next, paying attention to equation (4), the image information displayed by the
時間分割の場合、ある瞬間の1つのみのLED12がA→B→C→D→Eの順に発光し、この発光に同期して、画像表示デバイス22は、対応する指向性(方向性)画像を表示する。これら指向性画像の拡大結像位置は、5つのLED12全てに対応して、同じ位置のフレネルレンズ23の主平面上に乗る。
さて、ここで、焦点距離f3のフレネルレンズ23の主平面から右方に距離b3だけ離れた位置に、フレネルレンズ23の主平面と平行に延在する仮想平面25を考え、a3、b3、f3の関係を次式とする。
In the case of time division, only one
Well, here, spaced a distance b 3 to the right from the main plane of the
(5)式は、焦点距離f2のレンズ5の主平面上にある領域A´〜E´内のLED12結像を、仮想平面25上に結像する働きを示している。このLED12の第2の結像の領域A’’〜E’’を、仮想平面25上の点線丸印で示した。
前記第2の結像も、焦点距離f2のレンズ5の主平面上の領域A’〜E’に結像したLED12の第1の結像同様、画像表示デバイス22で表示し、スクリーン面に対応するフレネルレンズ23の主平面上に拡大結像した画像情報の全てを含んでいる。この仮想平面25上でLED12の第2の結像が結像する領域A’’〜E’’が、指向性(方向性)画像可視領域A’’〜E’’となる。なぜなら、領域A’’〜E’’のいずれにおいてもフレネルレンズ23の主平面上に拡大結像した画像情報の全てを含んでいるため、この領域の中に、人間の目を置くと、水晶体の働きによって、網膜上に、フレネルレンズ23の主平面上に拡大結像した画像情報が結像するからである。
Equation (5) shows the function of forming the image of the
The second image formation is also displayed on the screen surface by the
次に、図8に示すシステム(立体表示ディスプレイ)の駆動について説明する。最初の瞬間に領域AのLED12のみが発光し、これに同期して画像表示デバイス22は、指向性(方向性)画像可視領域A’’で見るべき指向性(方向性)画像を表示する。上述の光学系メカニズムによって、指向性(方向性)画像可視領域A’’の中に存在する人間の目にはフレネルレンズ23の主平面上に拡大結像した指向性(方向性)画像が見えることになる。なお、領域AのLED12のみが発光している瞬間には、その他の領域B’’〜E’’では何も見えない。
Next, driving of the system (stereoscopic display) shown in FIG. 8 will be described. Only the
次の瞬間には、領域AのLED12は消えて、領域BのLED12のみ発光し、これに同期して画像表示デバイスは、指向性(方向性)画像可視領域B’’で見るべき指向性(方向性)画像を表示する。領域AのLED12発光時と同じ光学メカニズムによって、指向性(方向性)画像可視領域B’’の中に存在する人間の目にはフレネルレンズ23の主平面上に拡大結像した指向性(方向性)画像が見えることになる。なお、領域BのLED12のみが発光している瞬間には、その他の領域A’’、C’’〜E’’では何も見えない。
At the next moment, the
同様なプロセスを、次の瞬間に領域CのLED12、その次の瞬間に領域DのLED12、最後の瞬間に領域EのLED12に対し、行う。領域A〜EのLED12に対するプロセス全体で動画立体映像の1フレームとして、毎秒60フレーム程度で表示すると、画像表示デバイス1枚のみでプロジェクションシステムによる大画面の、横方向5視点の動画IPを見ることができる。
なお、図8では、横方向のみの時間分割IPに特化させているため、上下視野角を広げるべく上下方向(図8では紙面に垂直な方向)のみの拡散を行う一方向拡散フィルム(D-film)24を、スクリーン面であるフレネルレンズ23の出射面に付加してある。この一方向拡散フィルム24は、レンティキュラレンズからなるものでも機能するが、フレネルレンズとのモアレを回避するには、マイクロレンズ構造等のような構造(表面凹凸形状)をもたないものが望ましく、その望ましい例としては、前述のルミスティが挙げられる。
A similar process is performed for the
In FIG. 8, since the time-division IP only in the horizontal direction is specialized, a unidirectional diffusion film (D that performs diffusion only in the vertical direction (the direction perpendicular to the paper in FIG. 8) in order to widen the vertical viewing angle) (D -film) 24 is added to the exit surface of the
以上が図8に示すシステムの説明であるが、時間分割視点の方向は横(左右)方向に限らず、縦(上下)方向にも可能である。さらに、超高輝度LED12を、横一列あるいは縦一列とするのでなく、2次元配列として、フレネルレンズ23の拡散板をとれば(一方向拡散フィルム24を取り除けば)、縦と横(上下左右)の時間分割視点IPがプロジェクションシステムで可能となる。
The above is the description of the system shown in FIG. 8, but the direction of the time division viewpoint is not limited to the horizontal (left and right) direction, but can be the vertical (up and down) direction. Furthermore, if the super
次に、本発明(6)のプロジェクション立体表示ディスプレイについて説明する。これは、時間分割視点切替方式と空間分割方式の併用により、より多くの視点数を実現するものであり、その一例を図9に示す。このものは、光学的メカニズムと駆動方法の点では基本的に図8に例示したシステムと同じであるが、時間分割のみでなく空間分割方式の併用として、複数の画像表示デバイスを同時に駆動して表示している点で図8のものと異なる。 Next, the projection stereoscopic display of the present invention (6) will be described. This realizes a larger number of viewpoints by using both the time division viewpoint switching method and the space division method, and an example is shown in FIG. This is basically the same as the system illustrated in FIG. 8 in terms of the optical mechanism and the driving method, but a plurality of image display devices are driven simultaneously as a combination of not only time division but also space division. It differs from that of FIG. 8 in that it is displayed.
すなわち図9の例では、3つの画像表示デバイス221,222,223を用い、それぞれが横方向5視点の時間分割IPを図8で説明したのと同じ光学的メカニズムと駆動方法で実現しており、空間的に3並列で同時に横3視点分を表示してゆくため、時間分割の横5視点X空間分割の横3視点=トータル横15視点分のIPを3つの画像表示デバイス221,222,223で実現している。
That is, in the example of FIG. 9, three
次に、駆動方法について説明する。最初の瞬間に領域A,F,KのLED12のみが同時に発光する。この時、画像表示デバイス221,222,223は、それぞれ、指向性(方向性)画像可視領域A’’、F’’、K’’で見るべき指向性(方向性)画像を表示する。図8で説明したのと同じ光学的メカニズムによって、指向性(方向性)画像可視領域A’’、F’’、K’’の中に存在する人間の目には、フレネルレンズ23の主平面上に拡大結像した指向性(方向性)画像がそれぞれの領域で別々に見えることになる。なお、領域A,F,KのLED12のみが発光している瞬間は、その他(領域A’’,F’’,K’’以外)の領域B’’〜E’’、G’’〜J’’、L’’〜O’’では、何も見えない。
Next, a driving method will be described. Only the
次の瞬間には、領域A,F,KのLED12は消えて領域B,G,LのLED12のみが発光し、これに同期して画像表示デバイス221,222,223は、それぞれ、指向性(方向性)画像可視領域B’’,G’’,L’’で見るべき指向性(方向性)画像を表示する。領域A,F,KのLED12の発光時と同じ光学メカニズムによって、指向性(方向性)画像可視領域B’’,G’’,L’’の中に存在する人間の目には、それぞれフレネルレンズ23の主平面上に拡大結像した指向性(方向性)画像が見えることになる。なお、領域B,G,LのLED12のみが発光している瞬間には、その他(領域B’’,G’’,L’’以外)の領域A’’,C’’〜E’’,F’’,H’’〜J’’,K’’,M’’〜O’’では何も見えない。
At the next moment, the
同様なプロセスを、次の瞬間に領域C,H,MのLED12、その次の瞬間に領域D,I,NのLED12、最後の瞬間に領域E,J,OのLED12に対し行う。以上の5段階のプロセス全体で動画立体映像の1フレームとして、毎秒60フレーム程度で表示すると、3個のみの画像表示デバイス22で、プロジェクションシステムによる大画像の横方向15視点の動画IPを見ることができる。
The same process is performed for the
なお、図9では、横方向のみの時間分割・空間分割併用型IPに特化させているため、上下視野角を広げるべく上下方向のみの拡散を行う一方向拡散フィルム(D-film)24を、スクリーン面であるフレネルレンズ23の出射面に付加してある。この一方向拡散フィルム24は、レンティキュラレンズからなるものでも機能するが、フレネルレンズとのモアレを回避するには、マイクロレンズ構造等のような構造(表面凹凸形状)をもたないものが望ましく、その望ましい例としては、前述のルミスティが挙げられる。
In FIG. 9, since it is specialized in the time-division / space-division combined IP only in the horizontal direction, a unidirectional diffusion film (D-film) 24 that performs diffusion only in the vertical direction in order to widen the vertical viewing angle is provided. Further, it is added to the exit surface of the
以上が図9に示すシステムの説明であるが、時間分割視点の方向及び、空間分割視点の方向は、横(左右)方向に限らず、縦(上下)方向としてもよく、組み合わせは自由である。
なお、フレネルレンズ23に付加する一方向拡散フィルム24の光拡散方向は、視点の並ぶ方向と垂直方向に設計しないと、指向性(方向性)画像のクロストークの原因となる。視点が上下左右に2次元に配列される場合、クロストークを避けるために、一方向拡散フィルム24は付加しない方が望ましい。
The above is the description of the system shown in FIG. 9, but the direction of the time division viewpoint and the direction of the space division viewpoint are not limited to the horizontal (left and right) direction, and may be the vertical (up and down) direction, and the combinations are free. .
Note that the light diffusion direction of the
以上で、本発明(6)の時間分割・空間分割併用型IP方式プロジェクション立体表示ディスプレイの説明を終える。 The description of the time division / space division combined IP system projection stereoscopic display according to the present invention (6) is now completed.
1 物体グリッド
2 結像グリッド
3 レンズ(:焦点距離f)
4 レンズ(第1レンズ:焦点距離f1)
5 レンズ(第2レンズ:焦点距離f2)
6 画像表示デバイス面
7 結像面
8 第2レンズ機能用反射鏡
9 プリズムシート
10 光軸(3次元線型空間結像光学系の光軸)
11 レンズ(画像表示デバイス面に設置したレンズ:焦点距離fD)
12 LED(超高輝度LED)
13 レンズ(11)の前方焦点面
14 レンズ(11)の光軸
15 バックライト(またはバックライトシステム;薄型)
16 バックライト(15)の出射面
17 フレネルシリンドリカルレンズ
18 フレネルシリンドリカルレンズの焦点面
19 可視領域シーケンス
20 3層構造膜(上下方向拡散用D-film+フレネルシリンドリカルレンズ(17)+プリズムシート(9))
21 空間分割縦方向多眼LCD(例:縦5視点)
22 画像表示デバイス
23 フレネルレンズ
24 一方向拡散フィルム(D-film)
25 仮想平面
31、32、33、34 レンティキュラレンズ
41、42、43、44、45、46、47、48、49 領域
51、52、53 画素
1
4 lenses (first lens: focal length f 1 )
5 lens (second lens: focal length f 2 )
6 Image
10 Optical axis (optical axis of 3D linear spatial imaging optical system)
11 Lens (Lens installed on the image display device surface: Focal length f D )
12 LED (Super bright LED)
13 Front focal plane of lens (11)
14 Optical axis of lens (11)
15 Backlight (or backlight system; thin type)
16 Output surface of backlight (15)
17 Fresnel cylindrical lens
18 Focal plane of Fresnel cylindrical lens
19 Visible region sequence
20 Three-layer structure film (D-film for vertical diffusion + Fresnel cylindrical lens (17) + prism sheet (9))
21 Space division vertical multi-view LCD
22 Image display device
23 Fresnel lens
24 Unidirectional diffusion film (D-film)
25 Virtual plane
31, 32, 33, 34 Lenticular lens
41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 area
51, 52, 53 pixels
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