JP2019101115A - Stereoscopic image display device - Google Patents

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河北 真宏
Masahiro Kawakita
真宏 河北
隼人 渡邉
Hayato Watanabe
隼人 渡邉
直人 岡市
Naoto Okaichi
直人 岡市
久幸 佐々木
Hisayuki Sasaki
久幸 佐々木
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Nippon Hoso Kyokai NHK
Japan Broadcasting Corp
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Abstract

To provide a stereoscopic image display device capable of reducing crosstalk between light beams and reproducing a stereoscopic video with a wide depth reproduction range.SOLUTION: A stereoscopic image display device comprises: a light beam reproducing device which outputs a light beam for reproducing a stereoscopic image; and a lens array screen which is provided so that the light beam outputted from the light beam reproducing device penetrates and which includes a plurality of element lenses. The element lenses output linear light beams made incident while diffusing only within a range of a predetermined spread angle.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、立体像表示装置に関する。   The present invention relates to a stereoscopic image display device.

特殊な眼鏡等を装着せずに立体画像を鑑賞するための技術が求められている。特殊な眼鏡が不要な裸眼立体表示技術の例が特許文献1および特許文献2に開示されている。特許文献1および特許文献2に記載された技術では、複数のプロジェクターを用いて、水平視差を有する立体画像をスクリーンに投射する。投射されるスクリーンは、垂直方向に大きな拡散特性を有し、水平方向には小さな拡散特性を有する。ここで、光の拡散に使用するフィルムとしては、例えばホログラフィック光学素子により、垂直方向と水平方向の拡散特性が異なるフィルムが使用される。   There is a need for a technique for viewing stereoscopic images without wearing special glasses or the like. Examples of autostereoscopic display techniques that do not require special glasses are disclosed in US Pat. In the techniques described in Patent Document 1 and Patent Document 2, a stereoscopic image having horizontal parallax is projected on a screen using a plurality of projectors. The projected screen has a large diffusion characteristic in the vertical direction and a small diffusion characteristic in the horizontal direction. Here, as a film used for light diffusion, for example, a film having different diffusion characteristics in the vertical direction and in the horizontal direction by a holographic optical element is used.

特開2014−035353号公報JP 2014-035353 A 特開2010−081440号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-081440

しかしながら、従来技術において用いられるフィルムの光拡散特性は、特定の角度範囲のみに光を広げるものではなく、ある程度の広がり角度分布を伴う拡散特性である。したがって、光線間のクロストークが生じ、再生立体映像の奥行き再現特性が低下してしまうという問題があった。   However, the light diffusive properties of the films used in the prior art do not spread the light only to a particular angular range, but rather are diffusive properties with some degree of spread angle distribution. Therefore, there is a problem that crosstalk between light rays occurs and depth reproduction characteristics of a reproduced three-dimensional image are degraded.

本発明は、上記の課題認識に基づいて為されたものであり、光線間のクロストークを少なくして、且つ奥行き再現範囲が広い立体映像を再生することのできる立体像表示装置を提供しようとするものである。   The present invention is made based on the above problem recognition, and it is an object of the present invention to provide a three-dimensional image display device capable of reproducing a three-dimensional image with a wide depth reproduction range while reducing crosstalk between light rays. It is

[1]上記の課題を解決するため、本発明の一態様による立体像表示装置は、立体画像を再生するための光線を出力する光線再生装置と、前記光線再生装置から出力される前記光線を透過するように設けられ、複数の要素レンズを含んで構成されるレンズアレイスクリーンと、を具備する立体像表示装置であって、前記要素レンズは、入射する直線状の光線を所定の広がり角の範囲内のみに拡散させて出力する、ことを特徴とする。   [1] In order to solve the above problems, a stereoscopic image display apparatus according to an aspect of the present invention includes a light beam reproducing device that outputs a light beam for reproducing a stereoscopic image, and the light beam output from the light beam reproducing device And a lens array screen provided to transmit light and configured to include a plurality of element lenses, wherein the element lenses are configured to have a predetermined spread angle of a linear light beam incident thereon. It is characterized in that it is diffused and output only within the range.

[2]また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記レンズアレイスクリーンを構成する前記複数の要素レンズの開口数がすべて同じ値である、ことを特徴とする。   [2] One aspect of the present invention is characterized in that, in the above-mentioned three-dimensional image display device, the numerical apertures of the plurality of element lenses constituting the lens array screen all have the same value.

[3]また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記光線再生装置から出力される隣接する光線間の角度間隔φと、前記レンズアレイスクリーンを構成する前記要素レンズによる光の広がり角θとの関係が、0.7φ≦θ≦1.3φである、ことを特徴とする。   [3] Further, according to one aspect of the present invention, in the above-mentioned three-dimensional image display device, an angle interval φ between adjacent light beams output from the light beam reproducing device and light by the element lens constituting the lens array screen Is characterized in that 0.7φ ≦ θ ≦ 1.3φ.

[4]また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記角度間隔φと、前記広がり角θとが、ほぼ等しい、ことを特徴とする。   [4] Further, one aspect of the present invention is characterized in that, in the above-mentioned three-dimensional image display device, the angular interval φ and the spread angle θ are substantially equal.

[5]また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記レンズアレイスクリーンを構成する前記要素レンズによる光の広がり角θが、0.2度以上且つ2.0度以下である、ことを特徴とする。   [5] Further, according to one aspect of the present invention, in the above-described three-dimensional image display device, the spread angle θ of light by the element lens constituting the lens array screen is 0.2 degrees or more and 2.0 degrees or less It is characterized by

[6]また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記レンズアレイスクリーンを構成する前記複数の要素レンズは、不規則的な位置に配置されている、ことを特徴とする。   [6] Further, one aspect of the present invention is characterized in that, in the above-mentioned three-dimensional image display device, the plurality of element lenses constituting the lens array screen are arranged at irregular positions. .

[7]また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記レンズアレイスクリーンを構成する前記複数の要素レンズが、不均一なサイズを有する、ことを特徴とする。   [7] One aspect of the present invention is characterized in that, in the above-mentioned three-dimensional image display device, the plurality of element lenses constituting the lens array screen have non-uniform sizes.

[8]また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記レンズアレイスクリーンは、第1の材質で作られたレンズ部と、第2の材質によって前記レンズ部以外の部分を充填した充填材部とからなる層として構成される、ことを特徴とする。   [8] Further, according to one aspect of the present invention, in the stereoscopic image display device described above, the lens array screen includes a lens portion made of a first material and a portion other than the lens portion according to a second material. It is characterized in that it is configured as a layer consisting of a filled filler portion.

[9]また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記レンズアレイスクリーンは、所定の材質で作られたレンズ部と、第1の電極層と、液晶を充填した液晶層と、第2の電極層とを積層して構成される、ことを特徴とする。   [9] Further, according to one aspect of the present invention, in the above-mentioned three-dimensional image display device, the lens array screen includes a lens portion made of a predetermined material, a first electrode layer, and a liquid crystal layer filled with liquid crystal. And a second electrode layer.

本発明によれば、光線再生装置から出力される光線を透過するようにレンズアレイスクリーンが設けられる。そして、レンズアレイスクリーンを構成する複数の要素レンズのそれぞれは、入射する直線状の光線を所定の広がり角の範囲内のみに拡散させて出力する。これにより、光線間のクロストークが少なくなり、奥行き再現範囲が広い立体映像を再生できる。   According to the present invention, a lens array screen is provided to transmit the light beam output from the beam regenerator. Then, each of the plurality of element lenses constituting the lens array screen diffuses the incident linear light beam only within the range of the predetermined spread angle and outputs it. As a result, crosstalk between light rays is reduced, and a stereoscopic video with a wide depth reproduction range can be reproduced.

本発明の実施形態による立体像表示装置100の基本構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the basic composition of the three-dimensional image display apparatus 100 by embodiment of this invention. 同実施形態による立体像表示装置100のさらに詳細な構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the still more detailed structure of the three-dimensional image display apparatus 100 by the same embodiment. 同実施形態によるレンズアレイスクリーン5に各方向からの光線が投射された場合の光線の広がり方を示す概略図である。It is the schematic which shows the expansion method of the light beam when the light beam from each direction is projected on the lens array screen 5 by the same embodiment. 同実施形態によるレンズアレイスクリーン5に入射する光線間の入射角度差と、スクリーン透過後の光線が成す立体像との関係を示す概略図である。It is the schematic which shows the relationship of the incident angle difference between the light rays which inject into the lens array screen 5 by the embodiment, and the three-dimensional image which the light ray after screen transmission makes. 同実施形態のためのレンズアレイスクリーン5の第1の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 1st structural example of the lens array screen 5 for the embodiment. 同実施形態のためのレンズアレイスクリーン5の第2の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 2nd structural example of the lens array screen 5 for the embodiment. 同実施形態のためのレンズアレイスクリーン5の第3の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 3rd structural example of the lens array screen 5 for the embodiment. 同実施形態におけるレンズアレイスクリーン5に関する光拡散特性を示すグラフである。It is a graph which shows the light-diffusion characteristic regarding the lens array screen 5 in the embodiment. 同実施形態によるレンズアレイスクリーン5を構成するマイクロレンズの拡散角度(θ)の分布が合成された光線に与える影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence which distribution of the diffusion angle ((theta)) of the microlens which comprises the lens array screen 5 by the embodiment gives to the synthesize | combined light ray. 同実施形態によるレンズアレイスクリーン5において要素レンズを不規則的に配置する例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example which arrange | positions an element lens irregularly in the lens array screen 5 by the same embodiment. 同実施形態によるレンズアレイスクリーン5においてレンズ形成エリア61ごとに異なるサイズのレンズを配置した例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example which has arrange | positioned the lens of a different size for every lens formation area 61 in the lens array screen 5 by the same embodiment.

次に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
[第1実施形態]
図1は、本実施形態による立体像表示装置100の基本構成を示す概略図である。同図は、立体像表示装置100および観察者6を上から見た図である。図示するように、立体像表示装置100は、光線再生装置1とスクリーン3とを含んで構成される。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First Embodiment
FIG. 1 is a schematic view showing a basic configuration of a stereoscopic image display device 100 according to the present embodiment. The figure is the figure which looked at the three-dimensional image display apparatus 100 and the observer 6 from the top. As shown, the three-dimensional image display device 100 is configured to include the light beam reproduction device 1 and the screen 3.

光線再生装置1は、立体映像を構成する光線を再生するものである。つまり、立体画像を再生するための光線を出力する。本実施形態による光線再生装置1は、多視点画像群表示部2を内部に備える。多視点画像群表示部2は、例えば、液晶表示装置や有機EL表示装置を用いて構成される。なお「EL」は、エレクトロルミネセンス(Electroluminescence)の略である。多視点画像群表示部2は、配列された多数の多視点画像から成る多視点画像群を表示する。この多視点画像群は、例えば、予め撮影される。多視点画像群表示部2を平面視したとき、即ち図1における観察者6側から見たとき、多数の多視点画像が例えば正方配列あるいはデルタ配列されている。多視点画像群は、立体映像を再生するための画像である。多視点画像群表示部2が表示した多視点画像群の光線は、光学系などを通してスクリーン3に投射表示される。このとき、多視点画像群表示部2からの光線は、光線間でのクロストークが少なく直進性に優れた投射光線4として、スクリーン3へ投射される。なお、本図においては、各多視点画像からの投射光線を区別しやすくするため、多視点画像ごとに線種を変えて投射光線を示している。具体的には、図示する3つの多視点画像からの投射光線を、それぞれ、破線、実線、および一点鎖線で表している。   The light beam reproduction device 1 reproduces a light beam constituting a stereoscopic video. That is, it outputs a ray for reproducing a stereoscopic image. The light beam reproduction device 1 according to the present embodiment internally includes a multi-viewpoint image group display unit 2. The multi-viewpoint image group display unit 2 is configured using, for example, a liquid crystal display device or an organic EL display device. "EL" is an abbreviation of electroluminescence. The multi-viewpoint image group display unit 2 displays a multi-viewpoint image group consisting of a large number of arranged multi-viewpoint images. This multi-viewpoint image group is photographed, for example, in advance. When the multi-viewpoint image group display unit 2 is viewed in plan, that is, viewed from the viewer 6 side in FIG. 1, a large number of multi-viewpoint images are arranged, for example, in a square arrangement or delta arrangement. The multi-viewpoint image group is an image for reproducing a stereoscopic video. The rays of the multi-viewpoint image group displayed by the multi-viewpoint image group display unit 2 are projected and displayed on the screen 3 through an optical system or the like. At this time, the light rays from the multi-viewpoint image group display unit 2 are projected onto the screen 3 as the projection light rays 4 which have little crosstalk between the light rays and are excellent in straightness. In the drawing, in order to make it easy to distinguish the projected rays from each multi-viewpoint image, the projected ray is shown by changing the line type for each multi-viewpoint image. Specifically, projected light rays from three multi-viewpoint images shown in the drawing are respectively represented by a broken line, a solid line, and an alternate long and short dash line.

スクリーン3は、レンズアレイスクリーン5を含んで構成される。スクリーン3で拡散された光線を、観察者6が観察し、立体映像として認識する。レンズアレイスクリーン5は、微小なマイクロレンズ(要素レンズ)を密に配列したスクリーンである。このレンズアレイを構成するマイクロレンズは、例えばそれぞれが同じ開口数(Numerical Aperture,N.A.)を有しており、一定の角度範囲内に光線を広げる特性を有する。つまり、一例として、レンズアレイスクリーン5を構成する複数の要素レンズの開口数がすべて同じ値である。つまり、レンズアレイスクリーン5は、光線再生装置1から出力される光線を透過するように設けられ、複数の要素レンズを含んで構成される。また、レンズアレイスクリーン5を構成する要素レンズは、入射する直線状の光線を所定の広がり角の範囲内のみに拡散させて出力する。レンズアレイスクリーン5を通った投射光線4は、所望の角度範囲内に広がり、観察者6へ向かう。投射光線4の光線間隔に応じた光の広がり角をレンズアレイスクリーン5で実現するようにすることで、観察者6は光線の欠落のない立体像を観察することができる。レンズアレイスクリーン5における光の広がり角については、さらに後で説明する。
なお、開口数は、光学系の明るさや分解能を表す数値である。開口数NAは、「NA=N・sinθ」で表される。ここで、θは、物体からレンズに入射する光線の光軸に対する最大角度である。また、Nは、物体とレンズとの間の媒質の屈折率である。
The screen 3 is configured to include a lens array screen 5. The observer 6 observes the light beam diffused by the screen 3 and recognizes it as a stereoscopic image. The lens array screen 5 is a screen in which minute micro lenses (element lenses) are densely arranged. The microlenses constituting this lens array each have, for example, the same numerical aperture (NA), and have the property of spreading a light beam within a certain angular range. That is, as an example, the numerical apertures of the plurality of element lenses constituting the lens array screen 5 are all the same value. That is, the lens array screen 5 is provided to transmit the light beam output from the light beam reproduction device 1, and is configured to include a plurality of element lenses. Further, the element lenses constituting the lens array screen 5 diffuse and output the incident straight ray only within the range of the predetermined spread angle. The projected rays 4 passing through the lens array screen 5 spread within the desired angular range and go to the observer 6. By realizing the spread angle of light according to the light beam interval of the projection light beam 4 with the lens array screen 5, the observer 6 can observe a solid image without loss of light beam. The spread angle of light in the lens array screen 5 will be further described later.
The numerical aperture is a numerical value representing the brightness and resolution of the optical system. The numerical aperture NA is represented by “NA = N · sin θ”. Here, θ is the maximum angle with respect to the optical axis of the light beam incident on the lens from the object. Also, N is the refractive index of the medium between the object and the lens.

図2は、立体像表示装置100のさらに詳細な構成を示す概略図である。同図は、立体像表示装置100および観察者6を上から見た図である。図示するように、立体像表示装置100に含まれる光線再生装置1は、多視点画像群表示部2と、レンズアレイ7と、アパーチャーアレイ8と、集光レンズ9と、コリメーター(collimator)レンズ10とを含んで構成される。   FIG. 2 is a schematic view showing a more detailed configuration of the stereoscopic image display device 100. As shown in FIG. The figure is the figure which looked at the three-dimensional image display apparatus 100 and the observer 6 from the top. As illustrated, the light beam reproducing device 1 included in the stereoscopic image display device 100 includes a multi-viewpoint image group display unit 2, a lens array 7, an aperture array 8, a condenser lens 9, and a collimator lens. And 10 are configured.

既に述べたように、多視点画像群表示部2は、多数の多視点画像を表示する。多視点画像群表示部2としては、単一のプロジェクター、複数のプロジェクター、または直視型表示パネルなどを使用することができる。直視型表示パネルを用いる場合には、液晶パネルや有機ELパネルなどを使用することができる。   As described above, the multi-viewpoint image group display unit 2 displays a large number of multi-viewpoint images. As the multi-viewpoint image group display unit 2, a single projector, a plurality of projectors, a direct view type display panel or the like can be used. In the case of using a direct view type display panel, a liquid crystal panel, an organic EL panel or the like can be used.

レンズアレイ7は、多視点画像群表示部2によって表示された複数の多視点画像を集光する。レンズアレイ7を構成する各要素レンズは、多視点画像群表示部2が表示する各多視点画像に対応している。つまり、レンズアレイ7を構成する各要素レンズは、各多視点画像が表示される位置に対応するように配置されている。多視点画像群表示部2から放射された各多視点画像の光線は、レンズアレイ7内の対応する要素レンズを通して、アパーチャーアレイ8内のアパーチャーに到達する。アパーチャーアレイ8は、多数のアパーチャーを平面状に配置したものである。アパーチャーアレイ8に含まれる各アパーチャーは、各多視点画像に対応している。つまり、アパーチャーアレイ8において、各アパーチャーは、レンズアレイ7内の要素レンズの位置に対応して設けられている。言い換えれば、レンズアレイ7の要素レンズの集光点にアパーチャーアレイ8のアパーチャーを設ける。これにより、光線の直進性を向上させることができる。アパーチャーアレイ8を透過した各多視点画像の光線は、集光レンズ9を通して、さらにコリメーターレンズ10を通して、スクリーン3側に投射される。   The lens array 7 condenses a plurality of multi-viewpoint images displayed by the multi-viewpoint image group display unit 2. Each element lens constituting the lens array 7 corresponds to each multi-viewpoint image displayed by the multi-viewpoint image group display unit 2. That is, each element lens which comprises the lens array 7 is arrange | positioned so as to correspond to the position where each multi-viewpoint image is displayed. The rays of each multi-viewpoint image emitted from the multi-viewpoint image group display unit 2 reach the apertures in the aperture array 8 through the corresponding element lenses in the lens array 7. The aperture array 8 is a planar arrangement of a large number of apertures. Each aperture included in the aperture array 8 corresponds to each multi-viewpoint image. That is, in the aperture array 8, each aperture is provided corresponding to the position of the element lens in the lens array 7. In other words, the apertures of the aperture array 8 are provided at the focal points of the element lenses of the lens array 7. Thereby, the straightness of the light beam can be improved. The light beam of each multi-viewpoint image transmitted through the aperture array 8 is projected to the screen 3 side through the condenser lens 9 and further through the collimator lens 10.

つまり、レンズアレイ7は、各多視点画像の光線を、アパーチャーアレイ8内のアパーチャーに集光する作用を有する。
アパーチャーアレイ8は、多視点画像の光線の方向を所定の方向に揃える作用を有する。言い換えれば、アパーチャーアレイ8内の遮光部(アパーチャー以外の部分)は、各多視点画像の、当該所定方向以外の方向の成分を遮光する。つまり、アパーチャーアレイ8は、各多視点画像の光線の直進性を向上させる作用を有する。
そして、集光レンズ9およびコリメーターレンズ10の組み合わせによる作用で、アパーチャーアレイ8を透過した光線がスクリーン3内の所望の位置に導かれる。
That is, the lens array 7 has the function of focusing the light rays of each multi-viewpoint image on the apertures in the aperture array 8.
The aperture array 8 has the function of aligning the direction of the rays of the multi-viewpoint image in a predetermined direction. In other words, the light shielding portion (portion other than the aperture) in the aperture array 8 shields components of each multi-viewpoint image in directions other than the predetermined direction. That is, the aperture array 8 has the effect of improving the straightness of the light rays of each multi-viewpoint image.
Then, the light beam transmitted through the aperture array 8 is guided to a desired position in the screen 3 by the combination of the condenser lens 9 and the collimator lens 10.

スクリーン3内のレンズアレイスクリーン5に含まれる1つの要素レンズに着目したとき、上記光学系の作用により、図示するように、その要素レンズには、多数の多視点画像の直進性の高い光線が、各多視点画像に固有の方向から到来する。
なお、コリメーターレンズ10の作用により、各多視点画像からの光は、平行光としてスクリーン3に投射される。
When focusing on one element lens included in the lens array screen 5 in the screen 3, the action of the optical system causes the element lens to have a highly linear light beam of many multi-viewpoint images as illustrated. , It comes from a direction unique to each multi-viewpoint image.
The light from each multi-viewpoint image is projected on the screen 3 as parallel light by the action of the collimator lens 10.

レンズアレイスクリーン5に投射される多視点画像の1つの光線のサイズ(つまり投射される画像の1画素サイズ)に対して、レンズアレイスクリーン5の要素レンズ(マイクロレンズ)のサイズが小さくなるようにする。これにより、マイクロレンズによる画像の解像度の低下を防ぐことができる。   In order to reduce the size of the element lens (micro lens) of the lens array screen 5 with respect to the size of one light beam of the multi-viewpoint image projected onto the lens array screen 5 (that is, one pixel size of the projected image). Do. Thereby, it is possible to prevent the decrease in the resolution of the image due to the micro lens.

図2は、立体像表示装置100および観察者6を上から見た図であり、多視点画像21と22と23は、横方向に配置された複数の多視点画像である。言い換えれば、観察者6側の方向から見て、多視点画像群表示部2上で、多視点画像21が最も右側に位置し、多視点画像23が最も左側に位置し、多視点画像22は、多視点画像21と23との中間に位置する。各多視点画像からの光線は、図示するように、レンズアレイスクリーン5の要素レンズを透過した際に所定の角度の範囲内で拡散される。同図では、1個の要素レンズ(マイクロレンズ)のみについて、要素レンズ透過後の各多視点画像の光線の進む方向および広がりを示しているが、他の要素レンズについても、各多視点画像の光線は同様に進行する。つまり、多視点画像からの光線は、水平方向に拡散される。また、同様に、多視点画像からの光線は、垂直方向にも拡散される。レンズアレイスクリーン5を透過した後の光線(レンズアレイスクリーン5よりも観察者6側)により、水平方向と垂直方向の両方に視差をもつ立体表示が為される。   FIG. 2 is a top view of the three-dimensional image display apparatus 100 and the observer 6, and the multi-viewpoint images 21 22 and 23 are a plurality of multi-viewpoint images arranged in the lateral direction. In other words, when viewed from the viewer 6 side, the multi-viewpoint image 21 is located on the rightmost side, the multi-viewpoint image 23 is located on the leftmost side, and the multi-viewpoint image 22 is on the multi-viewpoint image group display unit 2 , And between the multi-viewpoint images 21 and 23. Rays from each multi-viewpoint image are diffused within a predetermined range of angles when transmitted through the element lenses of the lens array screen 5 as shown. Although the drawing shows the advancing direction and the spread of the light rays of each multi-viewpoint image after transmission through the element lens only for one element lens (microlens), the other element lenses The rays travel in the same way. That is, rays from multi-viewpoint images are diffused in the horizontal direction. Similarly, rays from multi-view images are also diffused in the vertical direction. A three-dimensional display having parallax in both the horizontal direction and the vertical direction is performed by the light beam (the observer 6 side with respect to the lens array screen 5) after passing through the lens array screen 5.

次に、各方向からの光線がスクリーン3に投射された場合の光線の広がりについて説明する。
図3は、各方向からの光線がレンズアレイスクリーン5に投射された場合の光線の広がり方を示す概略図である。同図(a)、(b)、(c)のそれぞれは、レンズアレイスクリーン5を通る、水平な平面または垂直な平面である断面における、光線の進行を示している。同図(a)、(b)、(c)のそれぞれにおいて、各方向から、コリメーターレンズ10の作用により、平行な光線がレンズアレイスクリーン5に投射される。そのときの光線の広がり角がθである。レンズアレイスクリーン5を構成する要素レンズ(マイクロレンズ)の開口数がNAであるとき、入射される平行光の、そのマイクロレンズによる広がり角θは、下の式(1)で表される。
Next, the spread of a light beam when the light beam from each direction is projected on the screen 3 will be described.
FIG. 3 is a schematic view showing how the rays of light from each direction are projected when projected onto the lens array screen 5. Each of the figures (a), (b) and (c) shows the progression of light rays in a cross-section which is a horizontal plane or a vertical plane through the lens array screen 5. In each of the figures (a), (b) and (c), parallel rays of light are projected onto the lens array screen 5 by the action of the collimator lens 10 from each direction. The spread angle of the light beam at that time is θ. When the numerical aperture of the element lens (micro lens) constituting the lens array screen 5 is NA, the spread angle θ of the incident parallel light by the micro lens is represented by the following equation (1).

Figure 2019101115
Figure 2019101115

なお、式(1)において、rはマイクロレンズの直径であり、fはマイクロレンズの焦点距離である。また、「asin」は逆正弦関数(arcsine)を表す。
すべて同じ開口数のマイクロレンズを使用したレンズアレイスクリーン5に入射する光は、すべてほぼ一定の角度θで広がる。マイクロレンズとして焦点距離fの凸レンズを使った場合と、焦点距離が−fの凹レンズを使った場合とで、光線の広がり角は同じになる。レンズアレイスクリーン5による広がり角は、立体映像再生の光線間の角度間隔と同等の角度に設定することが好ましい。
In equation (1), r is the diameter of the microlens, and f is the focal length of the microlens. Also, "asin" represents an inverse sine function (arcsine).
All light incident on the lens array screen 5 using microlenses all having the same numerical aperture spreads at a substantially constant angle θ. In the case of using a convex lens of focal length f as the micro lens and the case of using a concave lens of focal length -f, the spread angle of the light beam becomes the same. The spread angle by the lens array screen 5 is preferably set to an angle equivalent to the angular distance between rays of stereoscopic video reproduction.

図4は、レンズアレイスクリーン5に入射する光線間の入射角度の差(間隔)と、レンズアレイスクリーン5透過後の光線が成す立体像との関係を説明するための概略図である。図4も、図3と同様に、レンズアレイスクリーン5を通る、水平な平面または垂直な平面である断面における、光線の進行を示している。
図4(a)は、レンズアレイスクリーンに入射する、隣接する光線Aおよび光線Bを示す。光線Aと光線Bの入射角度の差(入射角度の間隔)は、φである。図4(a)におけるA´およびB´は、それぞれ、光線Aおよび光線Bの進路である直線をレンズアレイスクリーンが設けられる位置の右側まで延長した線である。
図4(b)は、レンズアレイスクリーン5が光線Aおよび光線Bに広がりを生じさせた状態を示す。レンズアレイスクリーン5を構成するマイクロレンズアレイによる光の広がり角度がθであるとき、θ=φとなるように装置を構成すると、レンズアレイスクリーン5を透過する光線の広がりは図4(b)に示す通りとなる。つまり、図4(b)においても、光線Aと光線Bの入射角度の差はφである。そして、図4(b)において、上記の直線A´およびB´を、破線で表している。直線A´とB´の成す角度はφである。光線Aおよび光線Bは、それぞれ、レンズアレイスクリーン5を構成するマイクロレンズの透過後に、角度θの広がりを持つ。θ=φとなるように装置を構成した場合には、図示するように、レンズアレイスクリーン5の透過後において、光線Aと光線Bとが、両者間の隙間がないように広がる。つまり、図4(b)に示す状況において、観察者6側から見て、光線が届かない領域をなくすことができる。これは、観察者6が多少動いても、レンズアレイスクリーン5の透過後における光線が適切に立体像を成すことを意味する。
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the relationship between the difference (interval) in incident angle between light rays incident on the lens array screen 5 and the three-dimensional image formed by the light rays after transmission through the lens array screen 5. FIG. 4 as well as FIG. 3 shows the progression of light rays through the lens array screen 5 in a cross section which is a horizontal plane or a vertical plane.
FIG. 4 (a) shows adjacent rays A and B incident on the lens array screen. The difference between the incident angles of the light ray A and the light ray B (interval between incident angles) is φ. A 'and B' in FIG. 4A are lines extending straight lines which are the paths of the light beam A and the light beam B, respectively, to the right of the position where the lens array screen is provided.
FIG. 4B shows a state in which the lens array screen 5 spreads the light rays A and B. FIG. When the apparatus is configured such that θ = φ when the spread angle of light by the microlens array that constitutes the lens array screen 5 is θ, the spread of light rays transmitted through the lens array screen 5 is as shown in FIG. As shown. That is, also in FIG. 4B, the difference between the incident angles of the light ray A and the light ray B is φ. And in FIG.4 (b), said straight line A 'and B' are represented with the broken line. The angle formed by the straight lines A ′ and B ′ is φ. The ray A and the ray B each have a spread of an angle θ after transmission of the microlenses constituting the lens array screen 5. When the apparatus is configured such that θ = φ, as shown in the figure, after transmission through the lens array screen 5, the light ray A and the light ray B spread so that there is no gap between them. That is, in the situation shown in FIG. 4B, it is possible to eliminate the area where the light beam does not reach as viewed from the observer 6 side. This means that even if the observer 6 moves a little, the light rays after passing through the lens array screen 5 properly form a stereoscopic image.

一般的に、密な光線空間再生の立体像を再生する場合には、光線間の角度間隔は、0.2度以上且つ2.0度以下程度の範囲内にあることが一般的である。したがって、本実施形態においても、レンズアレイスクリーン5における光線の広がり角が、この範囲内に収まるようにする。つまり、レンズアレイスクリーンを構成する要素レンズによる光の広がり角θが、0.2度以上且つ2.0度以下であるようにする。一例として、例えば、レンズアレイスクリーン5を構成するマイクロレンズの直径を300μm(マイクロメートル)とし、そのマイクロレンズの焦点距離を20mm(ミリメートル)とする。そのマイクロレンズを用いた場合、広がり角θを約0.86度とすることができ、上記範囲内に収まる。   In general, when reproducing a solid image of dense light beam space reproduction, it is general that the angular distance between light beams is in the range of 0.2 degrees or more and 2.0 degrees or less. Therefore, also in the present embodiment, the spread angle of the light beam in the lens array screen 5 is made to fall within this range. That is, the spread angle θ of light by the element lenses constituting the lens array screen is set to 0.2 degrees or more and 2.0 degrees or less. As an example, for example, the diameter of the microlens constituting the lens array screen 5 is 300 μm (micrometer), and the focal distance of the microlens is 20 mm (millimeter). When the microlens is used, the spread angle θ can be about 0.86 degrees and falls within the above range.

前述の通り、図4に示した光線の広がりは、水平方向と垂直方向のどちらに対しても生じる。光線再生装置1から投射される光線の角度間隔が、水平方向と垂直方向とで異なっている場合は、両者の角度感覚に応じて、レンズアレイスクリーン5を構成するマイクロレンズの曲率を、垂直方向と水平方向で異ならせることができる。つまり、マイクロレンズによる光線の広がり角度を、垂直方向と水平方向とで個別に設定することができる。   As mentioned above, the ray spread shown in FIG. 4 occurs in both the horizontal and vertical directions. When the angular intervals of light beams projected from the light beam reproduction device 1 are different between the horizontal direction and the vertical direction, the curvatures of the microlenses constituting the lens array screen 5 are set in the vertical direction according to the sense of angle between the two. And can differ horizontally. That is, the spread angle of the light beam by the micro lens can be set separately in the vertical direction and the horizontal direction.

レンズアレイスクリーン5の、形状、材質、製法は様々であり、適宜、選択することができる。以下では、レンズアレイスクリーン5の、形状、材質、製法の例を説明する。
レンズアレイスクリーン5を構成する要素レンズとして、開口数NAが同じであれば、レンズの大きさ(直径)や焦点距離が異なる複数種類のレンズを用いてもよい。
レンズアレイスクリーン5を構成する個々の要素レンズの形状(平面視したときの形状)は、円形でもよく、また正方形や長方形や六角形などでもよい。要素レンズの形状を正方形や長方形や六角形とする場合には、レンズアレイスクリーン5内に非レンズ部分が生じないような、密配列のレンズアレイとすることが可能である。
また、要素レンズの形状を円形レンズとする場合、要素レンズの配列を正方配列としたりデルタ配列としたりすることができる。そのいずれの配列の場合も、レンズアレイスクリーン5の面内の非レンズ部分をマスクなどで遮光することができる。遮光のためのマスクは、例えば、印刷技術を用いて作成することができる。
また、要素レンズ(マイクロレンズ)の形状にかかわらず、要素レンズの配列を、規則正しい配列としてもよいし、不規則な配列としてもよい。要素レンズの配列を不規則にした場合には、表示画面におけるモアレ発生を抑制することができる。
また、レンズアレイスクリーン5を構成する要素レンズのサイズ(円形の場合の直径や、四角形あるいは六角形等の場合の辺のサイズ)を不均一としてもよい。この場合にも、表示画面におけるモアレ発生を抑制することができる。
レンズアレイスクリーン5を構成する要素レンズの材質は、例えば、ガラスやアクリル材質などを用いることができる。これらの材質を用いて、成形することにより、凸レンズや凹レンズなどの屈折タイプのレンズとすることができる。
もしくは、回折格子を形成した回折レンズをアレイ状に配置したものを、レンズアレイスクリーン5として使用することもできる。
レンズアレイスクリーンを構成する要素レンズ(マイクロレンズ)の作製には、金型を用いてもよい。金型は、切削やリソグラフィーなどにより製作することができる。この場合、金型をレンズアレイ形状の配置とする。そして、その金型をもとに、モールドやUV硬化樹脂などにより、レンズアレイを製作することができる。なお「UV」は、紫外線(ultraviolet)を意味する。
The shape, the material, and the manufacturing method of the lens array screen 5 are various and can be appropriately selected. Below, the example of the shape of the lens array screen 5, a material, and a manufacturing method is demonstrated.
As the element lenses constituting the lens array screen 5, plural types of lenses having different lens sizes (diameters) and focal lengths may be used as long as the numerical aperture NA is the same.
The shapes (shapes in plan view) of the individual element lenses constituting the lens array screen 5 may be circular, square, rectangular, hexagonal or the like. When the shape of the element lens is a square, a rectangle or a hexagon, it is possible to make the lens array in a dense array such that no non-lens portion occurs in the lens array screen 5.
In addition, when the shape of the element lens is a circular lens, the arrangement of the element lenses can be a square arrangement or a delta arrangement. In any of the arrangements, the non-lens portion in the plane of the lens array screen 5 can be shielded by a mask or the like. The mask for light shielding can be created, for example, using a printing technique.
Also, regardless of the shape of the element lenses (microlenses), the arrangement of the element lenses may be regular or irregular. When the arrangement of the element lenses is irregular, it is possible to suppress the occurrence of moire on the display screen.
In addition, the sizes (diameter in the case of a circle, and size of a side in the case of a square, a hexagon, or the like) of the element lenses constituting the lens array screen 5 may be nonuniform. Also in this case, it is possible to suppress moire generation on the display screen.
The material of the element lenses constituting the lens array screen 5 may be, for example, glass or acrylic. By molding using these materials, it is possible to make a refractive type lens such as a convex lens or a concave lens.
Alternatively, a lens array screen 5 may be used in which diffraction lenses in which diffraction gratings are formed are arranged in an array.
A mold may be used to manufacture the element lenses (microlenses) that constitute the lens array screen. The mold can be manufactured by cutting, lithography or the like. In this case, the mold is arranged in the form of a lens array. Then, based on the mold, a lens array can be manufactured using a mold, a UV curing resin, or the like. "UV" means ultraviolet light.

金型を新規に製作せずに、本実施形態によるレンズアレイスクリーン5を実現する方法もある。
図5は、既存のマイクロレンズアレイを用いて実現した、本実施形態用のレンズアレイスクリーン5の構成例を示す断面図である。
図示する構成例では、既存のマイクロレンズアレイであるマイクロレンズアレイ31に、アパーチャーアレイ32を装着している。マイクロレンズアレイ31を構成する個々のマイクロレンズの焦点距離はfである。そして、アパーチャーのサイズ(直径)rを適切に調整することにより、所望の広がり角θを実現するようにする。つまり、所望の広がり角θが得られるように、式(1)で示した関係に基づいて、焦点距離fに合わせたアパーチャーサイズrを定めることができる。
図5に示した構成により、金型を新規に製作せずに所定の広がり角θを実現することができる。つまり、金型を製作するために高額の費用をかける必要がない。
There is also a method of realizing the lens array screen 5 according to the present embodiment without newly producing a mold.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration example of the lens array screen 5 for the present embodiment, which is realized using the existing microlens array.
In the illustrated configuration example, the aperture array 32 is attached to a microlens array 31 which is an existing microlens array. The focal length of each of the microlenses constituting the microlens array 31 is f. Then, by appropriately adjusting the size (diameter) r of the aperture, a desired spread angle θ is realized. That is, the aperture size r can be determined in accordance with the focal length f based on the relationship shown in equation (1) so that the desired spread angle θ can be obtained.
With the configuration shown in FIG. 5, it is possible to realize the predetermined spread angle θ without newly manufacturing a mold. In other words, there is no need to spend a lot of money to make a mold.

もしくは、既存のマイクロレンズアレイに対して、屈折率が異なる材質を組み合わせることで、本実施形態用のレンズアレイスクリーン5を実現することができる。
図6は、レンズアレイスクリーン5の構成例を示す断面図である。図示するように、このレンズアレイスクリーン5は、レンズ41と充填材部42とで構成される。つまり、レンズアレイスクリーン5は、第1の材質で作られたレンズ41と、第2の材質によってレンズ部41以外の部分を充填した充填材部42とからなる層として構成される。レンズ41は、平凸レンズであり、材質Aを用いて形成され、その屈折率はnである。また、レンズ41以外の部分を充填する充填材部42としては材質Bを用い、その屈折率はnである。このように、レンズ41と充填材部42とを用いて合成されたレンズ系の焦点距離fは、下の式(2)により表される。
Or the lens array screen 5 for this embodiment is realizable by combining the material from which a refractive index differs with respect to the existing microlens array.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration example of the lens array screen 5. As shown, the lens array screen 5 is composed of a lens 41 and a filler portion 42. That is, the lens array screen 5 is configured as a layer including the lens 41 made of the first material and the filling material portion 42 filled with the second material with the portion other than the lens portion 41. Lens 41 is a plano-convex lens is formed by using the material A, a refractive index of n 1. As the filling unit 42 for filling the portions other than the lens 41 using the material B, it has a refractive index of n 2. As described above, the focal length f of the lens system synthesized using the lens 41 and the filler portion 42 is expressed by the following equation (2).

Figure 2019101115
Figure 2019101115

なお、式(2)において、Rはレンズの曲率半径である。レンズ41および充填材部42の材質を適宜選択することにより、焦点距離fを制御することができる。例えば、UV硬化樹脂などを使用し、材料と屈折率を選択することにより、焦点距離fを最適に調整できる。
一例として、レンズ41用の材質Aとして、屈折率1.60の樹脂で形成された凸レンズ(直径500μm、焦点距離3000μm、曲率半径1800μm)とする。また、充填材部42用の材質Bとして、屈折率1.53のUV硬化樹脂を用いる。これらの材質を用いて図6に示す構造のレンズアレイを形成した場合、その合成レンズ系の焦点距離は25.7mmとなる。したがって、このレンズによる光の広がり角度を、1.11度とすることができる。
このように、金型を新たに製作する必要がなく、充填する材質Bの屈折率を適切に選ぶことにより、システムに適した光線の広がり角を調整することができる。
In equation (2), R is the radius of curvature of the lens. The focal length f can be controlled by appropriately selecting the material of the lens 41 and the filler portion 42. For example, by using a UV curing resin or the like and selecting the material and the refractive index, the focal length f can be optimally adjusted.
As an example, as a material A for the lens 41, a convex lens (diameter 500 μm, focal length 3000 μm, radius of curvature 1800 μm) formed of resin with a refractive index of 1.60 is used. Further, as the material B for the filler portion 42, a UV curable resin with a refractive index of 1.53 is used. When the lens array having the structure shown in FIG. 6 is formed using these materials, the focal length of the composite lens system is 25.7 mm. Therefore, the spread angle of light by this lens can be made to 1.11 degrees.
Thus, it is not necessary to newly manufacture a mold, and by appropriately selecting the refractive index of the material B to be filled, it is possible to adjust the spread angle of the light beam suitable for the system.

レンズアレイスクリーン5の、さらに別の構成例について説明する。
図7は、レンズアレイスクリーン5の構成例を示す断面図である。同図において、51は、マイクロレンズアレイである。マイクロレンズアレイ51に光線が入射する側(同図における左側)には、偏光板53を設ける。そして、マイクロレンズアレイ51から出射する側(同図における右側)には液晶を充填した液晶層52を設ける。この液晶層52は、透明電極54と55とに挟まれる形で設けられる。そして、透明電極54および55に電圧を印加できるように、電圧源56およびスイッチ57を含む回路を設ける。つまり、このレンズアレイスクリーン5は、所定の材質で作られたマイクロレンズアレイ51(レンズ部)と、透明電極54(第1の電極層)と、液晶を充填した液晶層52と、透明電極55(第2の電極層)とを積層して構成される。
The further another structural example of the lens array screen 5 is demonstrated.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration example of the lens array screen 5. In the figure, reference numeral 51 denotes a microlens array. A polarizing plate 53 is provided on the side where the light beam is incident on the microlens array 51 (left side in the figure). A liquid crystal layer 52 filled with liquid crystal is provided on the side of emission from the microlens array 51 (right side in the figure). The liquid crystal layer 52 is provided so as to be sandwiched between the transparent electrodes 54 and 55. Then, a circuit including a voltage source 56 and a switch 57 is provided so that a voltage can be applied to the transparent electrodes 54 and 55. That is, the lens array screen 5 includes a microlens array 51 (lens portion) made of a predetermined material, a transparent electrode 54 (first electrode layer), a liquid crystal layer 52 filled with liquid crystal, and a transparent electrode 55. (Second electrode layer) is laminated.

図7(a)はスイッチ57が開いた状態であり、図7(b)はスイッチ57が閉じた状態である。スイッチ57を閉じて透明電極54および55の間に電圧を印加することにより、液晶層52の液晶を変調することができる。この変調により、液晶の配向が変化し液晶層52の屈折率が変化する。なお、透明電極54および55の間に印加する電圧を可変とするようにしてもよい。液晶層の屈折率が変化することにより、前記の式(2)により、レンズの焦点距離が変化し、マイクロレンズアレイ51による光線の広がり角度を調整制御することが可能となる。   In FIG. 7A, the switch 57 is in an open state, and in FIG. 7B, the switch 57 is in a closed state. By closing the switch 57 and applying a voltage between the transparent electrodes 54 and 55, the liquid crystal of the liquid crystal layer 52 can be modulated. By this modulation, the orientation of the liquid crystal is changed, and the refractive index of the liquid crystal layer 52 is changed. The voltage applied between the transparent electrodes 54 and 55 may be variable. By changing the refractive index of the liquid crystal layer, the focal length of the lens changes according to the above equation (2), and it becomes possible to adjust and control the spread angle of the light beam by the microlens array 51.

図8は、本実施形態におけるレンズアレイスクリーン5が得ようとする光拡散特性を示すグラフである。このグラフは、レンズアレイスクリーン5を構成する1個のマイクロレンズに1本の細い光線が入射したときに、同マイクロレンズから出射する光の拡散特性を示す。同図において、横軸は、角度である。この角度は、マイクロレンズに入射する1本の光線の進行方向を0度として、同マイクロレンズによる拡散の角度である。縦軸は、上記の角度に応じた光の強度である。図示するように、レンズアレイスクリーン5を構成するマイクロレンズが得ようとする光拡散特性は、次の通りである。角度が−θ/2以上且つθ/2以下のとき、光の強度は一様である。また、角度が−θ/2以下またはθ/2以上のとき、光の強度は0である。このような光拡散特性が得られれば、レンズアレイスクリーン5を投下した光線間でのクロストークを最小にすることができ、且つ、観察者6の位置に依らずに立体映像を観察することが可能となる。これにより、立体映像の奥行き再現特性が向上する。   FIG. 8 is a graph showing the light diffusion characteristics to be obtained by the lens array screen 5 in the present embodiment. This graph shows the diffusion characteristics of light emitted from one micro-lens when one thin light beam is incident on one micro-lens constituting the lens array screen 5. In the figure, the horizontal axis is an angle. This angle is an angle of diffusion by the micro lens, assuming that the traveling direction of one light beam entering the micro lens is 0 degree. The vertical axis is the intensity of light according to the above angle. As shown in the drawing, the light diffusion characteristics to be obtained by the microlenses constituting the lens array screen 5 are as follows. When the angle is not less than −θ / 2 and not more than θ / 2, the light intensity is uniform. When the angle is −θ / 2 or less or θ / 2 or more, the light intensity is zero. If such light diffusion characteristics are obtained, crosstalk between light beams dropped from the lens array screen 5 can be minimized, and stereoscopic images can be observed regardless of the position of the observer 6. It becomes possible. This improves the depth reproduction characteristics of the stereoscopic video.

次に、レンズアレイスクリーン5を構成するマイクロレンズの特性の誤差が光線の広がり角度に与える影響について説明する。
レンズアレイスクリーン5を構成するマイクロレンズの開口数に誤差分布がある場合、その誤差量に応じて、光線の広がり角度分布にも影響が生じる。これまでの超多視点立体ディスプレイの開発例によると、両眼の瞳孔間隔(約60mmとする)の間に約2〜3視点が形成されるシステムにおいて、スムーズな視点移動が可能な立体表示が実現できている。文献[M. Kawakita, et.al. "3D image quality of 200-inch glasses-free 3D display system", Proc. SPIE 8288, Stereoscopic Displays and Applications XXIII, 82880B, IS&T/SPIE Electronic Imaging, 2012, Burlingame, California, United States, pp. 82880B-1-82880B-8 (2012)]にその記載がある。この例を参考として、両眼瞳孔間隔60mmの間に3つの光線(視点)を形成する場合は、観察位置での1つの光線の広がり幅は約20mm以下であることが必要となる。瞳孔径を最大8mmと仮定し、瞳孔に光線間のクロストークがない光線を入射するには、角度のクロストークがない部分が上記瞳孔径以上となるようにすることが望ましい。これを、次に図9により説明する。
Next, the influence of the error of the characteristics of the microlenses constituting the lens array screen 5 on the spread angle of the light beam will be described.
When there is an error distribution in the numerical aperture of the microlenses constituting the lens array screen 5, the spread angle distribution of the light beam is also affected depending on the amount of the error. According to the example of development of the super multi-viewpoint three-dimensional display so far, in a system in which about two to three viewpoints are formed between the pupil distance (about 60 mm) of both eyes, three-dimensional display capable of smooth viewpoint movement It has been realized. Reference [M. Kawakita, et. Al. "3D image quality of 200-inch glasses-free 3D display system", Proc. SPIE 8288, Stereoscopic Displays and Applications XXIII, 82880B, IS & T / SPIE Electronic Imaging, 2012, Burlingame, California , United States, pp. 82880B-1-82880B-8 (2012)]. Referring to this example, in the case where three rays (viewpoints) are formed between the pupil distance 60 mm between the eyes, the spread width of one ray at the observation position needs to be about 20 mm or less. Assuming that the pupil diameter is a maximum of 8 mm, it is desirable to make the portion where there is no angle crosstalk be equal to or more than the above pupil diameter in order to make the pupil incident a ray without crosstalk between rays. This will be described next with reference to FIG.

図9は、レンズアレイスクリーン5を構成するマイクロレンズの拡散角度(θ)の分布が合成された光線に与える影響を示すグラフである。
図9(a)は、マイクロレンズによる拡散角度θが一定である場合の光線の拡散分布を示す。ここでは、例として、3個のマイクロレンズそれぞれからの3本の光線の拡散分布を縦に並べて示している。3本の光線の拡散分布は、同一の幅(角度θ)を有している。
図9(b)は、図9(a)に示した3本の光線を合成した光線の拡散分布を示す。3本の光線の拡散分布の幅が同一であるため、合成後の光線の拡散分布も同一の幅を有している。なお、3本の光線を合成したことにより合成後の光線の強度は、各光線の強度の和で表される。
図9(c)は、マイクロレンズによる拡散角度θが誤差分布を有する場合の光線の拡散分布を示す。図9(a)と同様に、3本の光線の拡散分布を縦に並べて示している。本例においては、3本の光線の拡散分布特性が異なる。つまり、3本の光線の拡散分布の幅(角度θ)が誤差を有し、それは所望の角度θに対して角度分布幅Δθである。
図9(d)は、図9(c)に示した3本の光線を合成した光線の拡散分布を示す。入射する光線の広がり角度に誤差を含むため、合成後の光線の分布は、図9(b)のような分布とならず、ややなだらかな広がりを持つ。
FIG. 9 is a graph showing the influence of the distribution of diffusion angles (θ) of the microlenses constituting the lens array screen 5 on the combined light beam.
FIG. 9A shows the diffusion distribution of light when the diffusion angle θ by the microlens is constant. Here, as an example, the diffusion distribution of three light beams from each of three microlenses is shown vertically aligned. The diffuse distribution of the three rays has the same width (angle θ).
FIG. 9 (b) shows the diffusion distribution of rays obtained by combining the three rays shown in FIG. 9 (a). Since the width of the diffusion distribution of the three rays is the same, the diffusion distribution of the combined rays also has the same width. In addition, the intensity | strength of the light ray after synthetic | combination by having synthesize | combined three light rays is represented by the sum of the intensity | strength of each light ray.
FIG. 9C shows the diffusion distribution of light when the diffusion angle θ by the microlens has an error distribution. Similar to FIG. 9 (a), the diffusion distribution of three light rays is shown vertically aligned. In the present example, the diffusion distribution characteristics of the three rays are different. That is, the width (angle θ) of the diffusion distribution of three light rays has an error, which is the angle distribution width Δθ with respect to the desired angle θ.
FIG. 9 (d) shows the diffusion distribution of rays obtained by combining the three rays shown in FIG. 9 (c). Since the spread angle of the incident light beam contains an error, the distribution of the combined light beam does not have the distribution as shown in FIG. 9B, but has a gentle spread.

合成後の光線の分布が図9(b)に示すトップハット型分布であることが理想であるところ、角度分布幅Δθがある場合にも、図9(d)に示す幅Eを充分に確保することが望まれる。なお、E=θ−2Δθである。前述の通り、観察位置での1つの光線の広がり幅は約20mm以下であることが求められ。瞳孔径が最大8mmであることを考慮すると、光線間のクロストークがない光線を観察者の瞳孔に入射するには、Eの幅を、θに対して4割(約4割)以上とすることが望まれる。即ち、所望の角度θに対して、誤差量Δθの値は、目安としてθの3割(約3割)以下であることが望ましい。   Although it is ideal that the distribution of rays after synthesis is the top hat type distribution shown in FIG. 9B, the width E shown in FIG. 9D is sufficiently secured even when there is an angle distribution width Δθ. It is desirable to do. Note that E = θ-2 Δθ. As mentioned above, the spread width of one light beam at the observation position is required to be about 20 mm or less. Considering that the pupil diameter is at most 8 mm, the width of E should be at least 40% (about 40%) with respect to θ in order to make the light beam without crosstalk between light beams enter the pupil of the observer Is desired. That is, it is desirable that the value of the error amount Δθ be equal to or less than 30% (about 30%) of θ with respect to the desired angle θ.

つまり、光線再生装置1から出力される光線間の角度間隔φと、レンズアレイスクリーン5を構成するマイクロレンズによる光の広がり角θとの関係として、φ=θ(φとθが同じ)、またはφ≒θ(φとθがほぼ同じ)であることが好ましい。
ただし、観察位置での1つの光線の広がり幅に対する要求や、ヒトの瞳孔径サイズ等を考慮すると、光線間のクロストークがない光線を観察者の瞳孔に入射するには、誤差量Δθを計算に入れて、少なくとも、0.7φ≦θ≦1.3φ、の条件を満たすことが望まれる。
That is, as a relationship between the angular interval φ between the light beams output from the light beam reproduction device 1 and the spread angle θ of light by the micro lens forming the lens array screen 5, φ = θ (φ and θ are the same) or It is preferable that φ ≒ θ (approximately the same as φ).
However, considering the requirement for the spread of one ray at the observation position, the pupil diameter size of the human, etc., the error amount Δθ is calculated to enter the ray without crosstalk between the rays to the pupil of the observer. It is desirable to satisfy at least the condition of 0.7φ ≦ θ ≦ 1.3φ.

次に、レンズアレイスクリーン5における要素レンズの配置例について説明する。要素レンズの配列に関して、要素レンズ(マイクロレンズ)の形状にかかわらず、不規則な配列としてもよいということを、既に述べた。ここでは、要素レンズを密に配置し、且つ、ランダムな配列とする例を説明する。
図10は、レンズアレイスクリーン5において要素レンズをランダムに(あるいは、疑似的にランダムに)配置する例を示す概略図である。同図では、レンズアレイスクリーン5を平面視している。同図は、レンズアレイスクリーン5における、4個の要素レンズが配置された領域のみを切り出して示している。図示する範囲において、4個のレンズ形成エリア61内が田の字型に配置されている。これら4個のレンズ形成エリア61自体は正方配列で配列されている。図示する範囲外に、さらに多数のレンズ形成エリア61が配置されていてよい。
Next, an arrangement example of the element lenses in the lens array screen 5 will be described. Regarding the arrangement of the element lenses, it has already been mentioned that the arrangement may be irregular regardless of the shape of the element lenses (microlenses). Here, an example in which the element lenses are densely arranged and randomly arranged will be described.
FIG. 10 is a schematic view showing an example in which element lenses are randomly (or pseudo randomly) arranged in the lens array screen 5. In the figure, the lens array screen 5 is viewed in plan. The same figure cuts out and shows only the field in which four element lenses are arranged in lens array screen 5. In the illustrated range, the insides of the four lens formation areas 61 are arranged in a square shape. The four lens formation areas 61 themselves are arranged in a square arrangement. A large number of lens forming areas 61 may be arranged outside the illustrated range.

図示するように、各々のレンズ形成エリア61には、1個のレンズエリア62が含まれる。図示する例では、レンズ形成エリア61も、レンズエリア62も、正方形の形状を有する。レンズ形成エリア61の一辺の長さはaであり、レンズエリア62の一辺の長さはb(ただし、b<a)である。図示する4個のレンズ形成エリア61のうち、左上の1個を、第i番目(iは自然数)のレンズ形成エリア61とする。第i番目のレンズ形成エリアの中心点63の座標を(X,Y)とする。第i番目のレンズ形成エリア61内の、レンズエリアの中心点64の座標を(x,y)とする。要素レンズをランダムに配置するためには、レンズ形成エリアの中心点63を基準としたときのレンズエリアの中心点64の座標位置がランダムになるようにする。つまり、座標(Δx,Δy)がランダムになるようにする。ただし、Δx=x−Xであり、Δy=y−Yである。また、Δx,Δyに関する制約として、{−(a−b)/2}<Δx,Δy<{(a−b)/2}である。この制約は、一辺がbのレンズエリア62の一部が、一辺がaのレンズ形成エリア61の外に出ないための制約、言い換えれば他のレンズ形成エリア61内のレンズエリア62と重ならないための制約である。つまり、上記制約の範囲内で、ΔxおよびΔyの値をランダムに決めて、レンズアレイスクリーンを形成する。 As shown, each lens formation area 61 includes one lens area 62. In the illustrated example, both the lens forming area 61 and the lens area 62 have a square shape. The length of one side of the lens formation area 61 is a, and the length of one side of the lens area 62 is b (where b <a). Of the four lens formation areas 61 shown, one at the upper left is taken as the i-th (i is a natural number) lens formation area 61. The coordinates of the center point 63 of the i-th lens formation area are taken as (X i , Y i ). In the i-th lens forming area 61, the coordinates of the center point 64 of the lens area and (x i, y i). In order to arrange the element lenses at random, the coordinate position of the center point 64 of the lens area with respect to the center point 63 of the lens formation area is made random. That is, the coordinates (Δx i , Δy i ) are made random. However, Δx i = x i −X i and Δy i = y i −Y i . In addition, as constraints regarding Δx i and Δy i , {− (a−b) / 2} <Δx i and Δy i <{(a−b) / 2}. The restriction is that a part of the lens area 62 with one side b does not overlap the lens formation area 61 with one side a, that is, the lens area 62 in the other lens formation area 61 does not overlap It is a restriction of That is, within the constraints described above, the value of [Delta] x i and [Delta] y i decided randomly to form a lens array screen.

具体的には、例えば、自然数iの値ごとに、乱数または疑似乱数を発生させて、ΔxおよびΔyの値を決める。そして、決められた座標値(Δx,Δy)にしたがって、第i番目のレンズ形成エリア61内のレンズエリア62の位置を定める。そして、一例として、定められた座標値を用いて、コンピューター制御によりレンズアレイスクリーン5のための金型を製作する。 Specifically, for example, for each value of the natural number i, by generating a random or pseudo-random number, determines the value of [Delta] x i and [Delta] y i. Then, the position of the lens area 62 in the i-th lens formation area 61 is determined according to the determined coordinate values (Δx i , Δy i ). Then, as an example, a mold for the lens array screen 5 is manufactured by computer control using defined coordinate values.

なお、レンズ形成エリア61内であって、且つレンズエリア62の外の部分(非レンズ部分)を遮光してもよい。
また、図10に示した例では、レンズ形成エリア61とレンズエリア62がともに正方形であった。しかし、レンズ形成エリア61やレンズエリア62が円形状や長方形状であっても、同様の手法でランダムに配置されたレンズアレイスクリーン5を実現できる。例えば、レンズ形成エリア61を円形にする場合には、その配列をデルタ配列とすることなどによってレンズ形成エリア61を高密度にすると、レンズアレイスクリーン5全体の中のレンズエリア62の割合を向上させることができる。
A portion (non-lens portion) in the lens formation area 61 and outside the lens area 62 may be shielded.
Further, in the example shown in FIG. 10, both the lens formation area 61 and the lens area 62 are square. However, even if the lens formation area 61 and the lens area 62 are circular or rectangular, the lens array screen 5 randomly arranged can be realized by the same method. For example, when making lens formation area 61 circular, if the lens formation area 61 is made high density by making the arrangement into delta arrangement etc., the ratio of the lens area 62 in the whole lens array screen 5 will be improved. be able to.

以上、例示説明したように、例えば、レンズアレイスクリーン5を構成する複数の要素レンズの配列を不規則にしてよい。つまり、複数の要素レンズを不規則的な位置に配置して良い。そして、この場合には、表示画面におけるモアレ発生を抑制することができる。   As described above, for example, the arrangement of the plurality of element lenses constituting the lens array screen 5 may be irregular. That is, a plurality of element lenses may be arranged at irregular positions. And, in this case, it is possible to suppress the occurrence of moire on the display screen.

次に、レンズアレイスクリーン5内において、配置するレンズのサイズを変化させる例について説明する。
図11は、レンズアレイスクリーン5においてレンズ形成エリア61ごとに異なるサイズのレンズを配置した例を示す概略図である。同図は、レンズアレイスクリーン5を平面視したものであり、その一部分のみを示す。同図に示す領域には4個のレンズ形成エリア61が含まれている。このレンズアレイスクリーン5では、一辺の長さがaである正方形のレンズ形成エリア61を、多数配置している。
Next, an example of changing the size of the lens to be disposed in the lens array screen 5 will be described.
FIG. 11 is a schematic view showing an example in which lenses of different sizes are arranged for each lens formation area 61 in the lens array screen 5. The figure is a plan view of the lens array screen 5 and shows only a part of it. Four lens formation areas 61 are included in the area shown in FIG. In this lens array screen 5, a large number of square lens formation areas 61 each having a side length a are arranged.

図における左上のレンズ形成エリア61を第i番目のレンズ形成エリアとする。第i番目のレンズ形成エリア61に含まれるレンズエリア62のサイズはbである。つまり、レンズエリア62は、一辺の長さがbの正方形である。また、左上のレンズ形成エリア61を第j番目のレンズ形成エリアとする。第j番目のレンズ形成エリア61に含まれるレンズエリア62のサイズはbである。本例のレンズアレイスクリーン5では、レンズ形成エリア61ごとに、レンズエリア62のサイズをランダムに設定する。そして、このとき、各要素レンズによる光の広がり角がθで一定となるように、要素レンズの焦点距離fを定める。式(1)に基づき、下の式(3)により、要素レンズのサイズと焦点距離との関係を定めることができる。
なお、図示する例では、レンズ形成エリア61の中心点の位置と、レンズエリア62の中心点の位置とを一致させている。
The lens formation area 61 at the upper left in the drawing is the i-th lens formation area. The size of the lens area 62 included in the i-th lens formation area 61 is b i . That is, the lens area 62 is a square having a side length b i . Further, the lens formation area 61 at the upper left is taken as a j-th lens formation area. The size of the lens area 62 included in the j-th lens formation area 61 is b j . In the lens array screen 5 of this example, the size of the lens area 62 is randomly set for each lens formation area 61. Then, at this time, the focal length f of the element lens is determined so that the spread angle of light by each element lens is constant at θ. Based on the equation (1), the relationship between the size of the element lens and the focal length can be determined by the following equation (3).
In the illustrated example, the position of the center point of the lens formation area 61 and the position of the center point of the lens area 62 are matched.

Figure 2019101115
Figure 2019101115

以上、図11を参照しながら説明したように、レンズアレイスクリーン5を構成する複数の要素レンズが、不均一なサイズを有するようにしてもよい。レンズのサイズを不均一にすることにより、この場合にも、表示画面におけるモアレ発生を抑制することができる。   As described above with reference to FIG. 11, the plurality of element lenses constituting the lens array screen 5 may have non-uniform sizes. By making the size of the lens non-uniform, it is also possible in this case to suppress the occurrence of moiré on the display screen.

なお、図10で示したようにレンズ形成エリア61内におけるレンズエリア62の位置を不規則に変えるとともに、同時に、図11で示したように各々のレンズエリア62のサイズを不均一にしてもよい。これにより、表示画面におけるモアレ発生を抑制することができる。
また、図10および図11を用いて説明した方法以外の方法で、レンズアレイスクリーン5上の要素レンズを不規則に配置するようにしてもよい。
The position of the lens area 62 in the lens formation area 61 may be irregularly changed as shown in FIG. 10, and at the same time the size of each lens area 62 may be uneven as shown in FIG. . As a result, it is possible to suppress the occurrence of moiré on the display screen.
In addition, the element lenses on the lens array screen 5 may be irregularly arranged by a method other than the method described with reference to FIGS. 10 and 11.

以上説明した実施形態によれば、立体像表示装置100は、光線再生装置1から投射される光線を透過させるレンズアレイスクリーン5を備える。レンズアレイスクリーン5を構成する複数の要素レンズは、入射する直線状の光線を所定の広がり角の範囲内のみに拡散させて出力する。これにより、光線間のクロストークが少なくなり、奥行き再現範囲が広い立体映像を再生できる。   According to the embodiment described above, the stereoscopic image display device 100 includes the lens array screen 5 that transmits the light beam projected from the light beam reproduction device 1. The plurality of element lenses constituting the lens array screen 5 diffuse and output the incident straight ray only within the range of a predetermined spread angle. As a result, crosstalk between light rays is reduced, and a stereoscopic video with a wide depth reproduction range can be reproduced.

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。   The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design and the like within the scope of the present invention.

本発明は、例えば、立体像を表示するための装置や、立体像を表示するサービスなどに利用することができる。ただし、本発明の利用範囲は、ここに例示したものには限られない。   The present invention can be used, for example, for an apparatus for displaying a three-dimensional image, a service for displaying a three-dimensional image, and the like. However, the scope of use of the present invention is not limited to those exemplified here.

1…光線再生装置
2…多視点画像群表示部
3…スクリーン
4…投射光線
5…レンズアレイスクリーン
6…観察者
7…レンズアレイ
8…アパーチャーアレイ
9…集光レンズ
10…コリメーターレンズ
21,22,23…多視点画像
31…マイクロレンズアレイ
32…アパーチャーアレイ
41…レンズ(材質A)
42…充填材部(材質B)
51…マイクロレンズアレイ(レンズ部)
52…液晶層
53…偏光板
54,55…透明電極
56…電圧源
57…スイッチ
61…レンズ形成エリア
62…レンズエリア
63…レンズ形成エリアの中心点
64…レンズエリアの中心点
100…立体像表示装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ray reproducing apparatus 2 ... Multi-viewpoint image group display part 3 ... Screen 4 ... Projection beam 5 ... Lens array screen 6 ... Observer 7 ... Lens array 8 ... Aperture array 9 ... Condensing lens 10 ... Collimator lenses 21 and 22 , 23 ... multi-viewpoint image 31 ... microlens array 32 ... aperture array 41 ... lens (material A)
42 · · · Filler (material B)
51 ... Microlens array (lens part)
52 Liquid crystal layer 53 Polarizing plate 54 Transparent electrode 56 Voltage source 57 Switch 61 Lens formation area 62 Lens area 63 Center point of lens formation area 64 Center point of lens area 100 Three-dimensional image display apparatus

Claims (9)

立体画像を再生するための光線を出力する光線再生装置と、
前記光線再生装置から出力される前記光線を透過するように設けられ、複数の要素レンズを含んで構成されるレンズアレイスクリーンと、
を具備する立体像表示装置であって、
前記要素レンズは、入射する直線状の光線を所定の広がり角の範囲内のみに拡散させて出力する、
ことを特徴とする立体像表示装置。
A beam reproducing device for outputting a beam for reproducing a stereoscopic image;
A lens array screen that is provided to transmit the light beam output from the light beam reproduction device, and includes a plurality of element lenses;
A three-dimensional image display device comprising
The element lens diffuses and outputs an incident straight ray only within a predetermined spread angle range.
A three-dimensional image display device characterized by
前記レンズアレイスクリーンを構成する前記複数の要素レンズの開口数がすべて同じ値である、
ことを特徴とする請求項1に記載の立体像表示装置。
The numerical apertures of the plurality of element lenses constituting the lens array screen are all the same value.
The three-dimensional image display device according to claim 1, characterized in that:
前記光線再生装置から出力される隣接する光線間の角度間隔φと、前記レンズアレイスクリーンを構成する前記要素レンズによる光の広がり角θとの関係が、0.7φ≦θ≦1.3φである、
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の立体像表示装置。
The relationship between the angular interval φ between adjacent light beams output from the light beam reproduction apparatus and the spread angle θ of light by the element lenses constituting the lens array screen is 0.7φ ≦ θ ≦ 1.3φ ,
The three-dimensional image display apparatus according to claim 1 or 2, wherein
前記角度間隔φと、前記広がり角θとが、ほぼ等しい、
ことを特徴とする請求項3に記載の立体像表示装置。
The angle interval φ and the spread angle θ are approximately equal,
The three-dimensional image display device according to claim 3, characterized in that:
前記レンズアレイスクリーンを構成する前記要素レンズによる光の広がり角θが、0.2度以上且つ2.0度以下である、
ことを特徴とする請求項1から4までのいずれか一項に記載の立体像表示装置。
The spread angle θ of light by the element lenses constituting the lens array screen is 0.2 degrees or more and 2.0 degrees or less.
The three-dimensional image display device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that:
前記レンズアレイスクリーンを構成する前記複数の要素レンズは、不規則的な位置に配置されている、
ことを特徴とする請求項1から5までのいずれか一項に記載の立体像表示装置。
The plurality of element lenses constituting the lens array screen are arranged at irregular positions,
The three-dimensional image display device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that:
前記レンズアレイスクリーンを構成する前記複数の要素レンズが、不均一なサイズを有する、
ことを特徴とする請求項1から6までのいずれか一項に記載の立体像表示装置。
The plurality of element lenses constituting the lens array screen have non-uniform sizes,
The three-dimensional image display device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that:
前記レンズアレイスクリーンは、第1の材質で作られたレンズ部と、第2の材質によって前記レンズ部以外の部分を充填した充填材部とからなる層として構成される、
ことを特徴とする請求項1から7までのいずれか一項に記載の立体像表示装置。
The lens array screen is configured as a layer including a lens portion made of a first material and a filler portion filled with a portion other than the lens portion with a second material.
The three-dimensional image display device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that:
前記レンズアレイスクリーンは、所定の材質で作られたレンズ部と、第1の電極層と、液晶を充填した液晶層と、第2の電極層とを積層して構成される、
ことを特徴とする請求項1から7までのいずれか一項に記載の立体像表示装置。
The lens array screen is configured by laminating a lens unit made of a predetermined material, a first electrode layer, a liquid crystal layer filled with liquid crystal, and a second electrode layer.
The three-dimensional image display device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that:
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