JP2011033820A - Three-dimensional image display device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、光線再生方式の3次元画像表示装置であって、特に視野角を大きくするためにあるいは画角を拡大するために構成要素となる大口径凸レンズを大きくすることで起こる問題、つまり観測される像の収差が周辺視野から大きくなり画質が低下するという問題を、解決できるようにした3次元画像表示装置に関している。 The present invention relates to a three-dimensional image display device of a ray reproduction system, and particularly a problem caused by enlarging a large-diameter convex lens as a constituent element in order to increase a viewing angle or to expand an angle of view, that is, an observation The present invention relates to a three-dimensional image display device that can solve the problem that the aberration of an image to be generated increases from the peripheral visual field and the image quality is degraded.
立体ディスプレイ装置は、より実物に近い表示ができることから、展示用の表示の他に、コンピュータゲーム、訓練用シミュレータ、装置の遠隔操作の表示装置、などに用いられており、さらにその応用分野は拡大している。しかし、立体ディスプレイ装置を長時間使用すると、通常の平面ディスプレイ装置によるものとは異なる疲労が残ることが知られている。 3D display devices can be displayed closer to the real thing, so in addition to display for display, they are used in computer games, simulators for training, display devices for remote operation of devices, etc. is doing. However, it is known that when a stereoscopic display device is used for a long time, fatigue different from that of a normal flat display device remains.
空間上のある点を凝視した際における、目線の向き(輻輳:近くのものを見るときに寄り目になる動き)、左右の目に映る像のずれの量(両眼視差)、水晶体の厚さ(焦点距離)の3つによって立体が知覚されていることが知られている。例えば、メガネを使用する方式の立体ディスプレイでは、偏光フィルタや液晶シャッターなどを用いて左右の目それぞれに異なる画像を入力することにより、両眼視差と輻輳角の提示を実現している。しかし、これらの立体表示方式では、輻輳と焦点調節との間に生理的矛盾が生じるという問題があり、この立体視特有の目の疲労は、両眼の輻輳角と各眼の焦点調節の間に生じる輻輳調節矛盾によるところが大きいと言われている。この問題を解決する目的で、既に多くの手法が提案されている。 The direction of the line of sight when staring at a certain point in space (convergence: movement that becomes a cross-eyed when looking at nearby objects), the amount of image shift (binocular parallax) seen in the left and right eyes, the thickness of the lens It is known that a solid is perceived by three (focal length). For example, a stereoscopic display using glasses uses a polarizing filter or a liquid crystal shutter to input different images to the left and right eyes, thereby realizing binocular parallax and a convergence angle. However, these three-dimensional display methods have a problem in that there is a physiological contradiction between convergence and focus adjustment, and the eye fatigue peculiar to stereoscopic vision is caused by the convergence angle between both eyes and the focus adjustment of each eye. It is said that this is largely due to the contradiction in congestion adjustment. Many methods have already been proposed to solve this problem.
そのひとつは光線再現型解決法であり、その代表例として、ホログラムがある。しかし、ホログラムでは、処理すべき情報が膨大であるため、電子ディスプレイでこれを実現するのは現時点では困難である。また、電子的に細かな光線再現を実現する方法として、超多眼方式が知られている(非特許文献1、2)。 One of them is a ray reproduction type solution, and a typical example is a hologram. However, with holograms, the amount of information to be processed is enormous, so it is difficult at present to achieve this with an electronic display. Further, as a method for realizing electronically fine light beam reproduction, a super multi-view system is known (Non-Patent Documents 1 and 2).
本発明の発明者らは、インテグラルイメジングにおいて、フライアイレンズを構成する個々のレンズを大きくするとともに、ディスプレイパネル部を多層化する粗インテグラルボリューム表示法を特許文献1(特開2008−015121号公報)で開示している。この方式では、ボリューム化された実像(または虚像)が観察されるので、輻輳調節矛盾が軽減される。また、多視点系を組み合わせるため、パネル数をある程度聞引いて斜めから見たときに前後のパネルで表示した像が分離することはない。さらに、オクルージョン(occlusion ; 物体間の隠蔽関係)や光沢面の表現も可能となる。 The inventors of the present invention have disclosed a coarse integral volume display method in which integral lenses are used to enlarge individual lenses constituting a fly-eye lens and multilayer the display panel portion (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-151). 015121). In this method, since a volumed real image (or virtual image) is observed, congestion adjustment contradiction is reduced. In addition, since the multi-viewpoint system is combined, the images displayed on the front and rear panels are not separated when viewed from an oblique angle by hearing the number of panels to some extent. Furthermore, occlusion (occlusion relationship between objects) and glossy surface can be expressed.
しかし、従来の提案では、光線再生方式、特にインテグラルイメジング方式の3次元画像表示装置で、視野角を大きくするためにあるいは画角を拡大するためにその構成要素となる大口径凸レンズを大きくすると、観測される像の収差が周辺視野から大きくなり画質が低下するという問題がおきるので、これを解決することが求められている。 However, in the conventional proposal, a large-diameter convex lens as a constituent element is increased in order to increase a viewing angle or an angle of view in a three-dimensional image display device of a ray reproduction method, particularly an integral imaging method. Then, since the aberration of the observed image becomes large from the peripheral visual field and the image quality is deteriorated, it is required to solve this.
従来のインテグラルイメジング方式の3次元画像表示装置の概要を、図7(a)、(b)、(c)に示す。図7(a)の構成では、表示面の前に凸レンズアレイと大口径集光系としてのフレネルレンズを配置して、観察者に実像を提示する。図7(b)の構成では、観察者の近くに表示面と凸レンズアレイと大口径集光系を配置して、観察者に虚像を提示する。図7(c)では、観察者に複数の実像を提示して、より改善された臨場感提示するものである。 An outline of a conventional integral imaging type three-dimensional image display apparatus is shown in FIGS. In the configuration of FIG. 7A, a convex lens array and a Fresnel lens as a large aperture condensing system are arranged in front of the display surface to present a real image to the observer. In the configuration of FIG. 7B, a display surface, a convex lens array, and a large aperture condensing system are arranged near the observer to present a virtual image to the observer. In FIG. 7C, a plurality of real images are presented to the observer to provide a more realistic feeling.
本発明では、その構成要素となる大口径凸レンズを大きくしても、観測される像の収差が周辺視野から大きくなり画質が低下するという問題が抑制された3次元画像表示装置を実現する。 The present invention realizes a three-dimensional image display device in which the problem that the aberration of an observed image increases from the peripheral visual field and the image quality deteriorates even when the large-diameter convex lens that is a constituent element is enlarged is realized.
本発明は、インテグラル表示法を用いた3次元画像表示装置であって、右目と左目それぞれ用の画像を表示する画像表示面と、前記画像表示面からの光を入射し右目用と左目用に画像を選別する選別光学系と、を備え、前記選別光学系が、前記表示面像の実像あるいは虚像を観察者に提示する構成のインテグラルディスプレイユニットの複数から成り、それぞれのインテグラルディスプレイユニットを、上記画像表示面の法線が交点を有するように配置することで、視野角を大きくしたり画角を拡大したりするために大口径凸レンズを大きくしても、観測される像の収差が周辺視野から大きくなり画質が低下することを緩和するものである。 The present invention is a three-dimensional image display device using an integral display method, an image display surface for displaying an image for each of the right eye and the left eye, and light for the right eye and for the left eye incident on the light from the image display surface. A sorting optical system for sorting images, wherein the sorting optical system is composed of a plurality of integral display units configured to present a real image or a virtual image of the display surface image to an observer. Is arranged so that the normal of the image display surface has an intersection, so that the aberration of the observed image can be increased even if the large-diameter convex lens is enlarged in order to enlarge the viewing angle or enlarge the angle of view. However, it will alleviate the decrease in image quality due to the increase in peripheral vision.
上記選別光学系は、例えば、前記の画像表示面に沿って平面状に配列された集光系アレイである。 The sorting optical system is, for example, a condensing system array arranged in a plane along the image display surface.
上記の集光系アレイは、例えば、複数の屈折率分布レンズアレイである。 The condensing system array is, for example, a plurality of gradient index lens arrays.
また、例えば、上記画像表示面と上記集光系アレイの配列面とは、平面である。 For example, the image display surface and the arrangement surface of the condensing system array are flat surfaces.
上記画像表示面と上記集光系アレイの配列面とが、円筒面あるいは球面であってもよい。観察者を取り囲む配置でもよい。 The image display surface and the arrangement surface of the condensing system array may be a cylindrical surface or a spherical surface. An arrangement surrounding the observer may also be used.
上記選別光学系は、大口径集光系を備えることで観察者に実像を提示するものであってもよい。 The sorting optical system may be provided with a large-diameter condensing system to present a real image to the observer.
上記観察者から見た奥行き情報の一部は、上記画像表示面における複数の表示面によって表示する。 A part of the depth information viewed from the observer is displayed on a plurality of display surfaces on the image display surface.
上記インテグラルディスプレイユニットにおける配置は、例えば、上記画像表示面、集光系アレイ、実像、観察者の順である。 The arrangement in the integral display unit is, for example, in the order of the image display surface, the condensing system array, the real image, and the observer.
上記選別光学系が大口径集光系を備える場合、上記インテグラルディスプレイユニットにおける配置は、例えば、上記画像表示面、集光系アレイ、大口径集光系、実像、観察者の順である。 When the sorting optical system includes a large-diameter condensing system, the arrangement in the integral display unit is, for example, in the order of the image display surface, the condensing system array, the large-diameter condensing system, a real image, and an observer.
また、上記選別光学系が大口径集光系を備える場合、上記インテグラルディスプレイユニットにおける配置が、上記虚像、画像表示面、大口径集光系、集光系アレイ、観察者の順である。 Further, when the sorting optical system includes a large-diameter condensing system, the arrangement in the integral display unit is in the order of the virtual image, the image display surface, the large-diameter condensing system, the condensing system array, and the observer.
この発明によって、視野角を大きくするためにあるいは画角を拡大するためにその構成要素となる大口径凸レンズを大きくしても、観測される像の収差が周辺視野から大きくなり画質が低下するという問題が抑制された3次元画像表示装置を実現できる。 According to the present invention, even if the large-aperture convex lens that is a constituent element is increased in order to increase the viewing angle or enlarge the angle of view, the aberration of the observed image increases from the peripheral visual field and the image quality deteriorates. A three-dimensional image display device in which problems are suppressed can be realized.
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following description, devices having the same function or similar functions are denoted by the same reference numerals unless there is a special reason.
本発明は、インテグラルボリューム表示を行う3次元画像表示装置であることから、大枠では、図8に示す構成を有する。図8は、インテグラルディスプレイユニット例のブロック図である。つまり、画素を表示する表示面1と、前記表示面1からの光を入射して概ね平行である平行光線を出射する集光系の複数が前記の表示面に沿って隣接して形成された集光系アレイ2と、前記の集光系アレイ2からの概ね平行である平行光線を入射して、観察者5の両眼のそれぞれに向かって出射する大口径集光系3と、とを備え、前記の大口径集光系3は、大口径集光系3と前記の観察者5との間の結像面4上に結像させるものである。但し、ここでいう結像面は、表示面上の画像の結像点の張る仮想的な2次元面である。また、概ね平行である平行光線とは、上記の集光系アレイ2と大口径集光系3との間では結像せず、大口径集光系3と観察者5の間で結像する範囲にある平行光線である。表示面1は、表示制御器6で制御される。
Since the present invention is a three-dimensional image display device that performs integral volume display, it generally has the configuration shown in FIG. FIG. 8 is a block diagram of an example of an integral display unit. That is, a display surface 1 for displaying pixels and a plurality of condensing systems that enter the light from the display surface 1 and emit parallel light beams that are substantially parallel are formed adjacent to each other along the display surface. A condensing
また、図8において、観察者5を結像面4と大口径集光系3との間に配置することで、観察者5に提示する像を虚像とし、その位置を表示面1の背後にすることができる。
In FIG. 8, the
本発明の一例を図1に示す。これは、インテグラル表示法を用いた3次元画像表示装置であって、右目と左目それぞれ用の画像を表示する画像表示面としてのディスプレイパネルと、前記画像表示面からの光を入射し右目用と左目用に画像を選別する選別光学系としてのレンズアレイと、該レンズアレイからの光を集光する大口径集光板を備え、前記選別光学系が、前記表示面像の実像を観察者に提示するインテグラルディスプレイユニットを3組備えるものである。それぞれのインテグラルディスプレイユニットを、上記画像表示面の法線が交点を有するように配置することで、大口径集光系に大口径凸レンズを用いても、観測される像の収差が大きくなることはなく、つまり画質が低下することがない。実像は、上記の交点周りに提示される。 An example of the present invention is shown in FIG. This is a three-dimensional image display device using an integral display method, in which a display panel as an image display surface for displaying an image for each of the right eye and the left eye, and light from the image display surface is incident and used for the right eye And a lens array as a sorting optical system for sorting images for the left eye, and a large-diameter condensing plate that collects light from the lens array, and the sorting optical system provides a real image of the display surface image to an observer. Three sets of integral display units to be presented are provided. By arranging each integral display unit so that the normal of the image display surface has an intersection point, the aberration of the observed image becomes large even when a large-diameter convex lens is used for the large-diameter condensing system. That is, there is no deterioration in image quality. A real image is presented around the intersection.
図2は、8組の上記インテグラルディスプレイユニットで観察者を取り囲む構成にすることで、観察者に360度の3次元画像を提示するものである。 FIG. 2 shows a 360-degree three-dimensional image to the viewer by surrounding the viewer with eight sets of the integral display units.
図3は、図2の構成でインテグラルディスプレイユニット数をさらに増やし、ほぼ円筒形または球状に配置したものである。この場合、円筒または球の中心に集光させることによって、大口径集光系を省く事が出来る。 FIG. 3 shows a configuration in which the number of integral display units is further increased in the configuration of FIG. 2 and is arranged in a substantially cylindrical or spherical shape. In this case, the large-diameter condensing system can be omitted by condensing light at the center of the cylinder or sphere.
図4は、観察者に複数の実像を提示して、より改善された臨場感のある画像を提示するものである。これは、より深い奥行きのある立体像を提示する場合に用いることができ、ボリューム感のある立体像を提示することができる。また、ボリュームのある像を提示することで、レンズの継ぎ目における映像の接続性を格段に改善することができる。図4の構成をインテグラルディスプレイユニットとして、図2または図3と同様な構成にする事によって、広い視野角で臨場感のすぐれた画像を提示することができる。 FIG. 4 presents a plurality of real images to the observer, and presents a more improved realistic image. This can be used when a stereoscopic image having a deeper depth is presented, and a stereoscopic image with a volume feeling can be presented. Also, by presenting a volumetric image, the video connectivity at the lens joint can be significantly improved. By using the configuration of FIG. 4 as an integral display unit and a configuration similar to that of FIG. 2 or FIG.
図5の構成では、観察者から遠ざかる順に、凸レンズアレイ、大口径レンズ、表示面を同心円状に配置した3次元画像表示装置である。この例では、同心円の中心に虚像の立体像を提示することができる。 The configuration of FIG. 5 is a three-dimensional image display device in which a convex lens array, a large-diameter lens, and a display surface are arranged concentrically in order from the observer. In this example, a three-dimensional virtual image can be presented at the center of the concentric circles.
図6の構成では、観察者を中心に、同心円状に凸レンズアレイ、大口径レンズ、表示面を配置したものである。この例では、観察者の周り360度に虚像の立体像を提示することができる。 In the configuration of FIG. 6, a convex lens array, a large-diameter lens, and a display surface are arranged concentrically around an observer. In this example, a three-dimensional virtual image can be presented at 360 degrees around the observer.
上記の表示面としては、カラー液晶ディスプレイの他に、プラズマディスプレイや、カラー陰極管ディスプレイ、リアプロジェクションディスプレイ、などを用いることができる。 As the display surface, in addition to a color liquid crystal display, a plasma display, a color cathode ray tube display, a rear projection display, or the like can be used.
上記の説明においては、集光系アレイや大口径集光系は、固定された焦点距離をもつものとすると理解し易い。しかし、これらの集光系は、可変焦点の集光系であっても何ら問題はない。可変焦点の集光系を用いることによって、また、場面ごとに焦点特性を僅かに変えることによって、さらに適した表示を行なうことができる。 In the above description, it is easy to understand that the condensing system array and the large-diameter condensing system have a fixed focal length. However, there is no problem even if these light collecting systems are variable focus light collecting systems. A more suitable display can be performed by using a variable focus condensing system and by slightly changing the focus characteristics for each scene.
また、上記の説明では、観察者として1名を図示したのみであるが、この観察者の位置を変えても、上記の説明は、成立するので、多数の観察者にとって、本発明の多視点立体ディスプレイ装置の立体画像を同時に観察できる事は明らかである。 Further, in the above description, only one person is shown as an observer. However, even if the position of the observer is changed, the above description is valid, so for many observers, the multi-viewpoint of the present invention can be achieved. Obviously, the stereoscopic image of the stereoscopic display device can be observed simultaneously.
1 表示面
2 集光系アレイ
3 大口径集光系
4 結像面
5 観察者
6 表示制御器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (10)
右目と左目それぞれ用の画像を表示する画像表示面と、前記画像表示面からの光を入射し右目用と左目用に画像を選別する選別光学系と、を備え、前記選別光学系が、前記表示面像の実像あるいは虚像を観察者に提示する構成のインテグラル表示単位の複数から成り、
それぞれのインテグラル表示単位を、上記画像表示面の法線が交点を有するように配置することを特徴とする3次元画像表示装置。 A three-dimensional image display device using an integral display method,
An image display surface for displaying an image for each of the right eye and the left eye, and a selection optical system for selecting light for the right eye and the left eye by receiving light from the image display surface, Consists of a plurality of integral display units configured to present a real or virtual image of the display surface image to the observer,
A three-dimensional image display device, wherein each integral display unit is arranged such that the normal of the image display surface has an intersection.
上記インテグラル表示単位における配置が、上記画像表示面、集光系アレイ、大口径集光系、実像、観察者の順であることを特徴とする請求項2から5のいずれか1つに記載の3次元画像表示装置。 The sorting optical system includes a large aperture condensing system,
6. The arrangement according to claim 2, wherein the arrangement in the integral display unit is in the order of the image display surface, the condensing system array, the large-diameter condensing system, the real image, and the observer. 3D image display device.
上記インテグラル表示単位における配置が、上記虚像、画像表示面、大口径集光系、集光系アレイ、観察者の順であることを特徴とする請求項2から5のいずれか1つに記載の3次元画像表示装置。 The sorting optical system includes a large aperture condensing system,
The arrangement in the integral display unit is in the order of the virtual image, the image display surface, the large-diameter condensing system, the condensing system array, and the observer. 3D image display device.
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