JP2920051B2

JP2920051B2 - ３次元ディスプレイ装置

Info

Publication number: JP2920051B2
Application number: JP5217374A
Authority: JP
Inventors: 眞行片桐; 敏男野村; 宣捷賀好
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 1993-09-01
Filing date: 1993-09-01
Publication date: 1999-07-19
Anticipated expiration: 2014-07-19
Also published as: JPH0772445A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特殊な眼鏡を必要とせ
ずに、立体画像が再生できる３次元ディスプレイ装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、専用のメガネなしで立体画像が見
られる３次元ディスプレイ装置として、レンチキュラレ
ンズを用いたものがある。このレンチキュラレンズを用
いた３次元ディスプレイ装置は、表示画面の各画素と対
応するレンチキュラレンズの位置合わせが容易であるこ
とや、表示画面とレンチキュラレンズとの間隔を狭くで
きるなどの理由によって、液晶ディスプレイなどのフラ
ットパネルディスプレイに適応される。

【０００３】図１２にレンチキュラレンズを用いた従来
の３次元ディスプレイ装置を示す。この３次元ディスプ
レイ装置は、液晶パネルの表示面に直接レンチキュラレ
ンズを貼ったタイプのものである。液晶パネルに同時に
異なる視差像を２枚表示した２眼式である。液晶パネル
１の表示画素Ｄｉ１に左目に対応する視差像（以下、左
目用画像）の一部が、表示画素Ｄｉ２に右目に対応する
視差像（以下、右目用画像）の一部が表示されている。
表示画素Ｄｉ１とＤｉ２のペアに対して、シリンドリカ
ルレンズＬｉが対応して置かれる。表示画素Ｄｉ１、Ｄ
ｉ２を透過した光はシリンドリカルレンズＬｉの働きに
よって、観察領域内のそれぞれ表示空間Ｐ、表示空間Ｑ
に分離される。これは、ｉが１からｎにわたって、同様
なことが起こり、表示空間Ｐには左目用画像が集められ
ていて、表示空間Ｑには右目用画像が集められている。
表示空間Ｐ、表示空間Ｑにそれぞれ左目、右目をもって
くると立体像が観察できる。

【０００４】このように、レンチキュラ方式の３次元デ
ィスプレイ装置では、立体像が観察できる空間は限定さ
れていて、かつとびとびのところに存在する。

【０００５】一方、立体像が観察できる空間を広げる目
的で、多数の異なる視差像を再生する多眼式を採用する
場合がある。しかし、その場合液晶パネル１に同時に多
数（３枚以上）の異なる視差像を表示しなければなら
ず、液晶パネル１の表示画素数は限定されているので、
１枚の視差像の解像度は大きく減少する。

【０００６】そこで、より広い空間で高解像度の立体像
が観察できるようにと、２眼式の立体像を再生しながら
観察者の頭部の位置を検出して、立体再生像をその位置
に合わせる従来の頭部追跡型３次元ディスプレイがあ
る。

【０００７】観察者の位置は例えば、ビデオカメラで常
時撮影し、その画像信号から顔の輪郭または目の位置を
検出する。その位置に立体再生像が表示されるように、
制御する。

【０００８】図１３に頭部追跡型３次元ディスプレイの
基本原理を説明する図を示す。液晶パネル１の前面にレ
ンチキュラレンズ１００が置かれ、立体像が再生される
原理は図１１で説明した原理と同じである。

【０００９】図１２と異なる点はレンチキュラレンズ１
００にレンズ移動装置１０１が接続されていて、液晶パ
ネル１に対するレンチキュラレンズ１００の相対的位置
を可変できることである。液晶パネル１に対するレンチ
キュラレンズ１００の相対位置が変わると、レンチキュ
ラレンズを構成する各シリンドリカルレンズの作用によ
って、シリンドリカルレンズからの出射方向が変わり、
表示空間の位置Ｐ′，Ｑ′が制御できる。

【００１０】レンズ移動装置１０１はレンチキュラレン
ズ１００の位置を正確に制御する装置である。従って、
精密な機構系からなる。

【００１１】レンチキュラレンズを移動させることによ
って立体像が再生される位置を、検出された頭部の位置
に合うように制御する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の２眼式の３次元ディスプレイ装置ではレンチキュラ方
式の原理に基づいて、立体像が観察できる空間が著しく
限定される。

【００１３】従来の多眼式の３次元ディスプレイ装置で
は多眼の分、立体像の観察空間は広がるが、１枚の視差
像の解像度は劣化し、低品位の立体像しか再生できな
い。

【００１４】また、従来の頭部追跡型の３次元ディスプ
レイ装置では、液晶パネルとレンチキュラレンズの相対
的位置を非常に正確に制御しなければならない。そのた
めに、精密な機構系を用いるので装置が大型となり、比
較的大きいレンチキュラレンズを移動させるので表示空
間の位置制御の応答性がよくないという課題がある。ま
た、レンチキュラレンズを表示パネルと平行な面内でし
か動かさないので、頭部追跡される範囲も表示パネルに
平行な面内に限定される。

【００１５】更に、従来の頭部追跡型３次元ディスプレ
イは２眼式であり、頭を動かしても観察される立体像は
変化せず、自然な立体像は再生されなかった。

【００１６】本発明の目的は、上記従来の３次元ディス
プレイ装置における問題点に鑑み、機構系を含まない頭
部追跡型の３次元ディスプレイ装置を実現し、立体視観
察領域を格段に広げ、高解像度で高品質の立体像を再生
する３次元ディスプレイ装置を提供することにある。

【００１７】本発明の他の目的は、上記の特徴に加えて
頭部の位置にあった内容の立体像を再生して、自然に立
体像が観察できる３次元ディスプレイ装置を提供するこ
とにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、複数の
異なる視差像を同時に表示する表示手段と、表示手段に
装着されておりシリンドリカルレンズのアレイで構成さ
れてかつシリンドリカルレンズの光学特性を可変できる
光学手段と、観察者の頭部の空間的位置を検出する検出
手段と、検出手段に接続されており検出手段で検出され
た頭部の位置情報に基づいて頭部の最適位置に立体像が
再生されるように光学手段を制御する制御手段とを備え
る３次元ディスプレイ装置によって達成される。

【００１９】本発明の他の目的は、複数の異なる視差像
を同時に表示する表示手段と、表示手段に装着されてお
りシリンドリカルレンズのアレイで構成されてかつシリ
ンドリカルレンズの光学特性を可変できる光学手段と、
観察者の頭部の空間的位置を検出する検出手段、検出手
段に接続されており検出手段で検出された頭部の位置情
報に基づいて頭部の最適位置に立体像が再生されるよう
に記光学手段を制御する制御手段と、多眼表示を行うた
めの複数の立体信号源と、複数の立体信号源及び検出手
段に接続されており検出手段で検出された頭部の位置情
報に基づいて表示手段に表示するための立体信号を選択
する選択手段とを備える３次元ディスプレイ装置によっ
ても達成される。

【００２０】また、本発明の３次元ディスプレイ装置の
光学手段は、液晶で構成してもよい。

【００２１】更に本発明の３次元ディスプレイ装置の
表示手段及び光学手段の間に投影レンズと拡散層とを備
えて構成してもよい。

【００２２】

【作用】第１発明の３次元ディスプレイ装置では、表示
手段に複数の異なる視差像を同時に１列の表示画素列置
きに表示し、その上面に光学手段を装着する。光学手段
は電気的に光学特性が制御されるシリンドリカルレンズ
のアレイで構成される。光学手段の作用で表示手段に表
示された複数の視差像は分離されて、ある観察領域に投
影される。観察者は異なる視差像を同時に異なる目で見
れば立体視が観察できる。検出手段は観察者の頭部の空
間的位置を検出する。制御手段は、検出手段から頭部の
位置情報を受けて、その情報に基づいて最適な位置に立
体像が再生されるように光学手段の光学特性を制御す
る。

【００２３】第２発明の３次元ディスプレイ装置では、
表示手段に複数の異なる視差像を同時に１列の表示画素
列置きに表示する。多眼表示を行うための複数の立体信
号源が用意され、選択手段によって表示手段に表示する
立体信号を選択する。表示手段の上面に光学手段が装着
される。光学手段は電気的に光学特性が制御されるシリ
ンドリカルレンズのアレイで構成される。光学手段の作
用で表示手段に表示された複数の視差像は分離されて、
ある観察領域に投影される。観察者は異なる視差像を同
時に異なる目で見れば、立体像が観察できる。検出手段
は観察者の頭部の空間的位置を検出する。制御手段は、
検出手段から頭部の位置情報を受けて、その情報に基づ
いて最適な位置に立体像が再生されるように光学手段の
光学特性を制御する。更に、選択手段は検出手段から頭
部の位置情報を受けてその位置に合った立体信号を選択
して表示手段に表示する。

【００２４】第３の発明では、光学手段が液晶で構成さ
れているので、大きな屈折率変化があり、低電圧でレン
ズの光学特性を変化させることができる。

【００２５】第４の発明では、表示手段及び光学手段の
間に投影レンズと拡散層とを備えて、投射型の３次元デ
ィスプレイを実現して大画面表示を可能にする。

【００２６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の３次元ディス
プレイ装置の実施例を説明する。

【００２７】図１は、本発明の３次元ディスプレイ装置
の第１実施例の構造を示す断面図である。

【００２８】本実施例の３次元ディスプレイ装置は２眼
式であり、フラットディスプレイパネルに光学特性可変
レンズを貼り付けたタイプのものであり、立体像の再生
空間を電気的に制御できるように構成されている。

【００２９】図１の３次元ディスプレイ装置は、表示手
段である液晶パネル１、液晶パネル１に密着して配置さ
れた光学手段である光学特性可変レンズ２、検出手段で
ある頭部検出部３、光学特性可変レンズ２及び頭部検出
部３に接続された制御手段である光学特性可変レンズ制
御部４によって構成されている。

【００３０】液晶パネル１には２つの異なる視差像が１
画素置きに表示されている。液晶パネル１の表示画素Ｄ
ｉ１に左目に対応する視差像（以下、左目用画像）の一
部が、表示画素Ｄｉ２に右目に対応する視差像（以下、
右目用画像）の一部が表示されている（以下ｉはｉ＝１
〜ｎを示す）。

【００３１】各走査線でも同様に表示されており、表示
パネルの縦方向に同じ視差像の１部がつながる。液晶パ
ネル１としてカラー液晶パネルを用いる場合には１単位
の色（例えば、赤、緑、青）の配列を縦方向にしなけれ
ばならない。そうしなければ、各色の画素の結像位置が
レンズの作用によって分離して、再生像が色ずれを起こ
す。

【００３２】液晶パネル１は、その他のフラットパネル
ディスプレイに置き換えることもできる。例えば、エレ
クトロ・ルミネッセンス（ＥＬ）パネル、プラズマディ
スプレイを用いることができる。

【００３３】光学特性可変レンズ２は、レンチキュラレ
ンズと同じ作用を有するレンズで、かつ電気的にそのレ
ンズ特性を制御することができる。ここでは、光学特性
可変レンズ２はシリンドリカルレンズＬｉのアレイから
構成されている。

【００３４】図１ではシリンドリカルレンズＬｉの断面
が示されており、レンズの長手方向と紙面の垂直な方向
は一致する。また、液晶パネル１に同じ視差像が表示さ
れている画素列とレンズの長手方向を一致させる。光学
特性可変レンズ２の詳細は後述する。

【００３５】液晶パネル１内の表示画素Ｄｉ１，Ｄｉ２
のペアに対して、光学特性可変レンズ２内のシリンドリ
カルレンズＬｉが対応しており、密着して配置される。
表示画素Ｄｉ１，Ｄｉ２を透過した光は、シリンドリカ
ルレンズＬｉの働きによって、観察領域のそれぞれ表示
空間Ｐ、表示空間Ｑに分離され、投影される。これはｉ
からｎまでの全ての表示画素において同様なことが起こ
り、左目用画像が投影される表示空間Ｐ、右目用画像が
投影される表示空間Ｑが形成される。観察者は表示空間
Ｐ、表示空間Ｑにそれぞれ左目、右目をもってくると立
体像が観察できる。表示画像Ｄｉ１，Ｄｉ２とシリンド
リカルレンズＬｉの相対的位置関係を変えることで、表
示空間Ｐと表示空間Ｑの位置を制御できる。

【００３６】頭部検出部３は、液晶パネル１の周辺に配
置されており、観察者の頭部の空間上の位置を検知して
頭部の位置情報を出力する。ここで、頭部検出部３には
以下の方式のものが用いられる。

【００３７】まず、第１の方式は、頭部検出部３として
赤外線受発光素子を用いる方式である。この第１の方式
では、赤外線発光素子から出射されて観察者の瞳で反射
された赤外線を上記赤外線受光素子によって受光するこ
とによって、観察者の瞳の位置を検出する。

【００３８】第２の方式は、ビデオカメラで常時観察者
の顔面を捕らえ、その顔面の画像を画像処理することに
より、瞳を認識して観察者の瞳の空間位置を検出する方
法である。第２の方式では、頭部検出部３をビデオカメ
ラ、画像処理・認識装置及び位置検出装置で構成する。

【００３９】第３の方式は、観察者の頭部に磁界発生器
を取り付けて、この磁界発生器から頭部の周辺に発生す
る磁界をパネル側に設けた複数の磁界検出器を用いて検
出することによって、頭部の空間位置を検出する方法が
ある。即ち、第３の方式では、頭部検出部３を磁界発生
器、複数の磁界検出器及び磁界検出器からの信号を処理
する装置などで構成する。なお、観察者の頭部に磁界検
出器を取り付けてパネル側に磁界発生器を設けても差し
支えない。

【００４０】頭部検出部３によって検出された頭部の位
置情報は光学特性可変レンズ制御部４に送られる。

【００４１】光学特性可変レンズ制御部４は、頭部検出
部３で得られた頭部位置情報に基づいて、光学特性可変
レンズ２内の各シリンドリカルレンズの屈折率の大きさ
及び分布を制御する。それによって、各シリンドリカル
レンズから出射される光の方向を変え、立体視が再生さ
れる空間の位置を制御する。

【００４２】図２は、上記光学特性可変レンズの一構成
例であり、特に液晶を用いた光学特性可変レンズの一部
の断面を示す。

【００４３】図２の光学特性可変レンズは、ガラス基板
１３の上に短冊状電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、…を並
べた電極アレイ１１が形成されている。電極アレイ１１
はＩＴＯ（インジウム・スズ・オキサイド）膜などの透
明電極である。図２では、短冊状電極１１ａ、１１ｂ、
１１ｃ、…は断面を表し、紙面に垂直な方向に細長く伸
びている。もう一方のガラス基板１４の上に電極１２が
形成されている。電極１２はガラス基板１４に全面均一
な電極である。電極１２も透明電極である。

【００４４】短冊状電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、…及
び電極１２はそれぞれ液晶駆動回路（図示せず）に接続
されている。

【００４５】電極アレイ１１と電極１２の間には封入さ
れた液晶１０が備えられている。液晶分子１０′は初期
状態でガラス基板に平行あるいは垂直の均一な状態で配
向される。

【００４６】上記液晶分子１０′の屈折率は、分子軸の
方向と分子軸に直交する方向とでは異なる。そのため、
液晶分子１０′は光学的異方性を示す。ガラス基板１
３，１４に対する液晶分子１０′の傾斜角は、電極アレ
イ１１と電極１２の間に印加される電圧によって変化
し、それに伴って液晶分子１０′の集合体が呈する屈折
率が変化する。即ち、液晶への印加電圧を制御すること
によって、光学特性可変レンズの屈折率分布を制御する
ことができる。

【００４７】上記液晶分子１０′への印加電圧のパター
ンの一例を示す。いま、仮に、初期状態をホモジニアス
配向（ガラス基板に平行）とし、電極１１ｅを中心とし
て、電極１１ｄと１１ｆ、電極１１ｃと１１ｇ、電極１
１ｂ、１１ｈの順に印加する電圧を減少させると、液晶
分子１０′の集合体の屈折率の分布は図３に示すように
変化する。

【００４８】液晶分子１０′の集合体の屈折率の変化の
幅は、液晶分子１０′が固有する最大屈折率と最小屈折
率の間で規定される。

【００４９】このように、電極アレイ１１に印加する電
圧のパターンを変えれば、液晶分子１０′の集合体の屈
折率の分布形状、屈折率の全体レベル、周期的に繰り返
される屈折率分布のピッチを制御することができる。

【００５０】１つのシリンドリカルレンズの光学特性
は、レンズ円筒面の曲率、レンズの厚さ、レンズのピッ
チの３つの項目で規定される。図２に示す光学特性可変
レンズでは、レンズ球面の曲率は屈折率の分布形状に、
レンズの厚さは屈折率の全体レベルに、レンズのピッチ
は屈折率分布のピッチに対応する。

【００５１】次に、図４〜図７を参照して、シリンドリ
カルレンズの光学特性と立体視の再生位置の関係を説明
する。

【００５２】図４にシリンドリカルレンズの光学特性を
決める変数を示す。液晶パネルの中央の画素Ｄｉ１、Ｄ
ｉ２に対応したシリンドリカルレンズＬｉがあり、図２
にはその断面が示されている。シリンドリカルレンズＬ
ｉは円筒面をもち、その曲率中心を原点とし、円筒面の
長手方向をｙ軸とし、ｙ軸に直交し、シリンドリカルレ
ンズが並んでいる方向をｘ軸とし、ｘ軸とｙ軸に直交
し、観察方向に伸びる軸をｚ軸とする。

【００５３】シリンドリカルレンズの円筒面の曲率を
Ｒ、厚さをｔ、ピッチをＰｌ、レンズ媒体の屈折率をｎ
とする。また、表示画素Ｄｉ１，Ｄｉ２の幅（ｘ軸方
向）をＰｄ、表示画素Ｄｉ１，Ｄｉ２の中点とシリンド
リカルレンズＬｉの中心軸（ｚ軸）とのずれ（ｘ軸方
向）ＰＨとする。液晶パネルのｘ軸方向の表示画素をＤ
とする。

【００５４】観察領域にある、ｘ−ｙ平面に平行でかつ
距離ｚ₀ 離れた面をａ−ａ′平面とし、ａ−ａ′平面に
投影される投影像Ｐ，Ｑのｘ軸方向の幅をｄｉとし、投
影像Ｐ，Ｑの中点Ａとｚ軸との距離をｘ₀ とする。投影
像の幅ｄｉは人間の平均的な目（瞳）の間隔（約６５ｍ
ｍ）以上に設定するのが好ましいが、必要以上に大きな
値にすると光が分散して投影像が暗くなる。

【００５５】観察者の左目、右目の中点に点Ａが合うよ
うに制御すれば、観察者は頭をある範囲内で動かして
も、立体視が可能である。レンズの光学特性を規定する
変数ｔ、Ｒ、Ｐ１、ＰＨを調節することで点Ａの空間位
置（ｘ₀ ，ｚ₀ ）を制御することができる。ここで、Ｐ
ｄ、Ｄ、ｎ、ｄｉは予め設定された固定の値をもつ。

【００５６】図５は、表示画素１個からａ−ａ′平面に
投影される像の関係を表す。簡単な相似形となり、
（１）式を満たす。

【００５７】Ｐｄ／ｄｉ＝（ｔ−Ｒ）／ｚ₀ …（１）一方、レンチキュラレンズは液晶表示面で焦点を結ぶの
が適当である。その条件は（２）式で満たされる。

【００５８】１／ｔ＝（ｎ−１）／ｎ・Ｒ…（２）（１）式と（２）式からレンズの厚さｔ、円筒面の曲率
半径Ｒを求めることができる。

【００５９】ｔ＝（ｎ・ｚ₀ ・Ｐｄ）／ｄｉ…（３）Ｒ＝｛（ｎ−１）・ｚ₀ ・Ｐｄ｝／ｄｉ…（４）ここで、ｔ、Ｒは頭部位置検出部より検出された距離ｚ
₀ に基づいて算出される。

【００６０】図６は、表示画素２つ分（２眼式なので）
の幅２ＰｄとレンズピッチＰ１の関係を示す。このレン
ズピッチＰ１の設定は、各表示画素を透過した光が再生
空間Ｐまたは再生空間Ｑに集中することを目的とする。

【００６１】Ｐ１／２Ｐｄ＝（ｚ₀ −Ｒ）／（ｚ₀ ＋ｔ−Ｒ）…（５）ここで、Ｐ１は（１）式、（３）式〜（５）式から次の
ように求められる。

【００６２】Ｐ１＝２Ｐｄ・｛ｄｉ−（ｎ−１）・Ｐｄ｝／（ｄｉ＋Ｐｄ）…（６）図７は、表示画素とレンチキュラレンズの相対位置のず
れ量ＰＨと投影像の位置ｘ₀ との関係を示す。これは投
影パターンの中心点Ａの空間位置を制御することを目的
とする。

【００６３】ＰＨ／ｘ₀ ＝（ｔ−Ｒ）／ｚ₀ …（７）（１）式と（７）式よりＰＨは（８）式で表される。

【００６４】ＰＨ＝（ｘ₀ ・Ｐｄ）／ｄｉ…（８）このように、レンズの円筒面の半径Ｒ、レンズの厚さ
ｔ、レンズのピッチＰ１及び液晶パネルの中心点での表
示画素とレンズの相対的なずれＰＨとを制御すれば、投
影パターン（点Ａ）の空間位置を制御することができ
る。また、変数Ｒ、ｔ、Ｐ１及びＰＨは予め設定されて
既知の液晶パネルの表示画素の幅Ｐｄ、距離ｚ₀ 離れた
ａ−ａ′平面に投影される投影像Ｐ，Ｑの幅ｄｉ、レン
ズ媒体の屈折率ｎ及び観察者の頭部位置検出部で求めら
れた頭部の位置（ｘ₀ ，ｚ₀ ）から算出される。

【００６５】図２に示す光学特性可変レンズでは、上記
変数のレンズの円筒面の半径Ｒは屈折率分布の形状に対
応し、電極アレイ１１に加える電圧パターンの形状で制
御される。レンズの厚さｔは屈折率分布の全体的なレベ
ルに対応し、電極アレイ１１に加える電圧パターンの全
体的なレベルで制御される。レンズのピッチＰ１は周期
的に変化する屈折率分布のピッチに対応し、電極アレイ
１１に加える電圧パターンのピッチで制御される。液晶
パネルの中心点での表示画素とレンズの相対的なずれＰ
Ｈは周期的に変化する屈折率分布の位相に対応し、電極
アレイ１１に加える電圧パターンをシフトすることで制
御できる。

【００６６】本実施例ではレンズの光学特性は全て電気
的に行うことができ、機構部を全く必要としない。

【００６７】図８は、光学特性可変レンズの他の構成例
の構造断面を示す。

【００６８】図８の光学特性可変レンズは、ガラス基板
２４の上に透明な全面電極２３を形成する。全面電極２
３はＩＴＯ（インジウム・スズ・オキサイド）など透明
膜で構成される。全面電極２３の上に高い柔軟性を有す
る透明物体２０を積層する。透明物体２０が流動性を示
す場合は、透明物体２０が流れ出さないように透明物体
２０の上に透明皮膜２１を形成する。透明皮膜２１は薄
く柔軟性を有する。透明物体２０は例えばシリコーン系
のゴムやオイルが用いられる。透明物体２０と透明皮膜
２１の間に短冊状電極２２を多数並べて形成する。短冊
状電極２２は図８では断面が示され、紙面に垂直な方向
に細長く伸びている。短冊状電極２２とＩＴＯ（インジ
ウム・スズ・オキサイド）など透明膜で構成される。短
冊状電極２２は１本毎に駆動回路（図示せず）が接続さ
れている。また、全面電極２３も駆動回路に接続されて
いる。

【００６９】透明物体２０の表面の初期状態は平面であ
る。短冊状電極２２に部分的に電圧を加え、全面電極２
３との間に働く静電力で透明物体２０あるいは透明皮膜
２１の表面に凹凸を付ける。一定間隔を置いた短冊状電
極２２ｂに、全面電極２３に加えられる電圧と逆の極性
の電圧を印加する。そして、上記一定間隔の中間の位置
の短冊状電極２２ａに、全面電極２３に加えられる電圧
と同じ極性の電圧を印加する。短冊状電極２２ｂと全面
電極２３の間には静電引力が働き、短冊状電極２２ｂと
全面電極２３の間隔が縮まる。逆に、短冊状電極２２ａ
と全面電極２３の間には静電斥力が働き、短冊状電極２
２ａと全面電極２３の間隔が広がる。柔軟性のある透明
物体２０はその影響を受けて変形する。このようにし
て、周期的に円筒面が形成されて、シリンドリカルレン
ズが構成される。

【００７０】レンズとして必要とされる円筒面の凹凸は
１ｍｍ程度である。低電圧で変形させるには、短冊状電
極２２と全面電極２３の間に生じる電界を大きくするの
が効果的で、初期状態（平面）で短冊状電極２２と全面
電極２３の間隔を１．５ｍｍ程度にするのが好ましい。
必要とされるレンズ全体の厚さがあるが、それはガラス
基板２４の厚さで調節する。

【００７１】電圧を印加する短冊状電極２２は２２ａと
２２ｂに限定されることはなく、一連の短冊状電極２２
にある電圧パターンをもって、電圧が印加されることが
ある。

【００７２】円筒面の形状（曲率半径、厚さ）は短冊状
電極２２に印加する電圧パターンの形で制御する。円筒
面の周期は短冊状電極２２に印加される電圧パターンの
周期で制御する。また、円筒面が形成される位置は短冊
状電極２２に印加される電圧パターンをシフトして制御
する。このようにして、透明物体２０あるいは透明皮膜
２１の表面に形成される円筒面の形状及び位置を短冊状
電極２２に印加される電圧パターンで制御することがで
きる。

【００７３】上述したように実施例は、観察者の位置に
合わせて、立体視の再生される位置を制御し、広い範囲
で立体視が観察されるように構成した。しかし、液晶パ
ネルには異なる２つの視差像が表示されているだけなの
で、観察者が移動しても観察される立体視像は変わらな
い。即ち、本実施例では、２眼式３次元ディスプレイ装
置の観察領域の拡大化を図った。

【００７４】通常、観察者の頭部が移動すると、観察さ
れる立体視像も変わるのが自然である。即ち、複数の立
体視像を備えた多眼式が３次元ディスプレイにとって望
ましい。次に、多眼式に対応した実施例を説明する。

【００７５】図９は、本発明の３次元ディスプレイ装置
の他の実施例の構成を示す。

【００７６】図９の３次元ディスプレイ装置は、液晶パ
ネルの前面にレンチキュラレンズを置く直視型の３次元
ディスプレイ装置であり、特に４眼表示の場合を示す。

【００７７】図９の３次元ディスプレイ装置は、表示手
段である液晶パネル１、液晶パネル１の前面に密着して
配置された光学手段である光学特性可変レンズ２、検出
手段である頭部検出部３、頭部検出部３及び光学特性可
変レンズ２に接続された制御手段である光学特性可変レ
ンズ制御部４、液晶パネル１に接続された立体信号合成
部４２、立体信号合成部４２に接続された選択手段であ
る立体信号選択部４３、立体信号選択部４３に接続され
た立体信号源３３〜３６によって構成されている。

【００７８】図９の３次元ディスプレイ装置では、液晶
パネル１の前面に光学特性可変レンズ２が貼り付けられ
る。実際の装置では液晶パネル１の背面に表示用照明光
源が置かれるが、図９では省略してある。

【００７９】図９の実施例では画像表示パネルとして液
晶パネルを用いたが、その他にエレクトロ・ルミネッセ
ンス（ＥＬ）パネル、プラズマディスプレイ、発光ダイ
オード（ＬＥＤ）アレイなどのフラットパネルディスプ
レイを用いることができる。そのときは表示用照明光源
を必要としない。

【００８０】液晶パネル１には通常、カラー液晶パネル
が用いられる。そのとき、レンズの作用によって色画像
が分離しないように液晶パネルのカラーフィルタの配列
は、レンチキュラレンズの長手方向（垂直方向）と同じ
にする。

【００８１】光学特性可変レンズ２はシリンドリカルレ
ンズのアレイである。図９の光学特性可変レンズ２は、
紙面に垂直方向に細長いシリンドリカルレンズのアレイ
の断面を表している。

【００８２】図９の実施例においては、４つの異なる視
差像が表示できる４眼式であるが、同時に表示するのは
２つの異なる視差像である。従って、本実施例において
用いる光学特性可変レンズ２は通常２眼式の３次元ディ
スプレイ装置に用いられるものと同一である。即ち、表
示画素Ｄｉ１，Ｄｉ２のペアに対して光学特性可変レン
ズ２内のシレンドリカルレンズＬｉが対応して置かれる
（以下ｉ＝１〜ｎを表す）。画素Ｄｉ１，Ｄｉ２を透過
した光はシリンドリカルレンズＬｉの働きによって、観
察領域のそれぞれ空間Ｐ、空間Ｑに分離される。画素Ｄ
ｉ１に左目用視差像を、画素Ｄｉ２に右目用視差像を表
示した場合には、空間Ｐ、空間Ｑにそれぞれ左目、右目
をもってくると立体像が観察できる。

【００８３】図９では各シリンドリカルレンズＬｉの形
状は同じであるが、画素Ｄｉ１，Ｄｉ２のペアのピッチ
とシリンドリカルレンズＬｉのピッチは異なる。シリン
ドリカルレンズのピッチが若干小さく設定されている。
従って、液晶パネルの周辺において画素のペアの中心と
それに対応するシリンドリカルレンズの中心がずれ、そ
のずれ量は周辺にいく程大きくなる。このずれによっ
て、液晶パネル１の中央と周辺でシリンドリカルレンズ
へのそれぞれの画素からの透過光の入射角が異なるた
め、液晶パネル１の周辺の画素からの透過光を観察領域
の特定の空間Ｐと空間Ｑに集めることができる。

【００８４】液晶パネル１に表示する視差像を得る手段
としては、図１０に示すような４台のビデオカメラを、
一定の間隔で、その中心軸を対象物体に向けて配置する
撮像系がある。これにより、４つの異なる像が得られる
が、カメラ４４によって得られる像を像１とし、これを
図９中の立体信号源３３として用いる。同様に、カメラ
４５によって得られる像２を立体信号源３４に、カメラ
４６によって得られる像３を立体信号源３５に、カメラ
４７によって得られる像４を立体信号源３６に対応させ
る。このうちの隣り合う２つの像について、左側のカメ
ラの像を左目で、右側のカメラの像を右目で観察するこ
とにより、立体視が可能になる。本実施例のような４眼
式の場合には、３つの異なる方向の立体像を観察するこ
とができる。ここで３つの異なる立体像とは、左目と右
目でそれぞれ（像１と像２）、（像２と像３）、（像３
と像４）を見る場合に観察される立体像である。なお、
４つの異なる像を生成する手段として、コンピュータグ
ラフィックスを用いる方法もある。また、立体信号源は
実時間で動くものであっても、光ディスクのような蓄積
系に記録されたものであってもよい。

【００８５】頭部検出部３は、観察者の頭部、特に両眼
の中点の空間的位置を検出する装置である。頭部検出の
方式はいくつか考えられる。第１の方式として、頭部検
出部に赤外線発光素子を備えて、近赤外線を観察者の頭
部に照射し、その反射強度を測定することにより、観察
者の頭部位置を検出する方法がある。

【００８６】第２の方式として、ビデオカメラあるいは
電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラで常に観察者を捕らえ、
画像処理によって瞳を認識してその空間位置を検出する
方法がある。この場合、頭部検出部にビデオカメラ、画
像処理・認識装置、位置検出装置が含まれる。

【００８７】第３の方式として、観察者の頭部に磁界発
生器をつけて、複数の磁界検出器を用いて、磁界発生器
の空間位置を検出する方法がある。この場合、頭部検出
部に磁界発生器、複数の磁界検出器、磁界検出器からの
信号の処理装置などが含まれる。この方式では、観察者
の頭部に磁界検出器をつけて、パネル側に磁界発生器を
置く場合もある。

【００８８】その他の方式としては、機械的な方式、超
音波を用いる方式、慣性力を用いた方式などがある。

【００８９】次に、観察者の頭部に追随して立体像の再
生位置を制御し、かつ再生される立体像を変える手法を
説明する。

【００９０】図１０で示すような撮影系で撮影して表示
する場合、観察領域を予め液晶パネル１に垂直な２つの
平面で区切り、３つの空間Ｓ、Ｔ、Ｕに分割する。空間
Ｓ、Ｔ、Ｕはカメラの配置で決まる。空間ＳとＴはカメ
ラ４５のレンズの主点を通り、液晶パネルに垂直な平面
で分割されれ、また、空間ＴとＵはカメラ４６の主点を
通り、液晶パネルに垂直な平面で分割される。

【００９１】頭部検出部３によって検出された両眼の中
点の位置情報は光学特性可変レンズ制御部４に送られ
る。光学特性可変レンズ制御部４は光学特性可変レンズ
２の光学特性を制御して、液晶パネル１の表示画素Ｄｉ
１あるいは表示画素Ｄｉ２に表示された像の投影像Ｐ及
び投影像Ｑの位置を制御する。投影像Ｐと投影像Ｑの投
影位置はその境界の点Ａを観察者の両眼の中点に合わせ
られるように制御される。

【００９２】光学特性可変レンズ２の作用は上述の実施
例と同様である。

【００９３】立体信号選択部４３には、例えば上述した
図１０のような撮像系によって得られた４つの立体信号
源３３〜３６が接続されており、頭部の位置情報によっ
て４つの立体信号源の内の１つを左目用信号に割り当
て、別の１つを右目用信号に割り当てる。立体信号合成
部４２は、立体信号選択部４３によって選択された２つ
の信号を、それぞれ偶数フィールドと奇数フィールドに
振り分け、液晶パネル１上で左目用視差像と右目用視差
像を表示画素Ｄｉ１と表示画素Ｄｉ２に表示させる。

【００９４】例えば、いま観察者の両眼の中点が空間Ｔ
内にあって、境界点Ａも空間Ｔ内に制御されていると
（図９の点Ａ）、液晶パネル１の表示画素Ｄｉ１に像２
を、表示画素Ｄｉ２に像３を表示する。観察者が頭を移
動させて、それに追随した境界点Ａが空間Ｕに入ったと
き（図９の点Ａ′）には、液晶パネル１の表示画素Ｄｉ
１に像３を、表示画素Ｄｉ２に像４を表示して像を入れ
換える。

【００９５】即ち、観察者の位置に追随した境界点Ａが
どの空間に存在するかによって、液晶パネル１に表示す
る像を入れ換える。境界点Ａの位置と表示する像の関係
を表１に示す。

【００９６】

【表１】

【００９７】頭部検出部３によって検出された頭部の位
置情報は、立体信号選択部４３にも送られる。その位置
情報に基づいて、立体信号選択部４３は表１に示される
立体信号源の組み合わせを選択し、立体信号を立体信号
合成部４２に送る。

【００９８】空間Ｔの大きさは撮像系のカメラの間隔に
依存する。通常、カメラの間隔は人間の平均的な両眼の
間隔に合わすのがよい。また、より滑らかな像変化が得
られるように、カメラの間隔を平均的な両眼の間隔の半
分以下にすることもある。ただし、その場合にはカメラ
の台数を増やさなければ、立体像が変化して観察できる
領域が狭くなる。

【００９９】このようにすれば、観察者が頭部を移動さ
せても、観察者の頭部の位置に合わせて、最適な位置に
立体像が再生され、かつ観察者の頭部の位置に合わせ
て、再生される立体像が変わり、非常に自然な立体像が
観察できる。

【０１００】本発明を投射型３次元ディスプレイ装置に
も応用できる。図１１にその実施例を表す投射型３次元
ディスプレイ装置の構造断面図を示す。

【０１０１】図１１の投射型３次元ディスプレイ装置で
は、光源５１から放射された光は集光レンズ５３で集め
られて、液晶パネル１に入射される。光は液晶パネル１
で変調を受け、透過した光は投射レンズ５２で光学特性
可変スクリーン５０内の拡散層５０ｂに結像される。即
ち、液晶パネル１に表示された像が拡大して拡散層５０
ｂに投影される。

【０１０２】光学特性可変スクリーンは光学特性が電気
的に制御される可変レンチキュラレンズアレイ５０ａと
拡散層５０ｂから構成される。可変レンチキュラレンズ
アレイ５０ａは図２あるいは図８に示される構造を有す
る。可変レンチキュラレンズアレイ５０ａの光学特性は
光学特性可変スクリーン制御部５４によって、制御され
る。

【０１０３】投射型は直視型に較べて、可変レンチキュ
ラレンズアレイ５０ａと液晶パネル１の間に投射レンズ
５２と拡散層５０ｂが存在するだけで、本質的な違いは
ない。

【０１０４】上述した立体像の再生位置の制御方法及び
表示画像の切り換え方法は全く同様に応用される。頭部
検出部３、立体信号合成部４２、立体信号選択部４３及
び立体信号源３３〜３６は同様な機能を有しており、同
様な作用をする。

【０１０５】

【発明の効果】第１発明の３次元ディスプレイ装置は、
複数の異なる視差像を同時に表示する表示手段と、表示
手段に装着されておりシリンドリカルレンズのアレイで
構成されてかつシリンドリカルレンズの光学特性を可変
できる光学手段と、観察者の頭部の空間的位置を検出す
る検出手段と、検出手段に接続されており検出手段で検
出された頭部の位置情報に基づいて頭部の最適位置に立
体像が再生されるように光学手段を制御する制御手段と
を備えるので、検出手段によって観察者の頭部の空間的
位置を検出し、立体像の再生位置を常に最適な位置に制
御することによって、観察者に最適な投影像が呈示でき
る。そして、立体像の再生位置を制御する手段として、
電気的に光学特性が制御できるレンズを用いるため、精
密な機構系を必要とせず、応答性にも優れ、また、３次
元ディスプレイ装置の小型化が図れる。更に、制御でき
る立体像の再生空間の位置は観察距離方向にも制御でき
るので、観察者の頭部に追随できる空間が３次元空間と
なり、頭部移動の自由度が大きくなる。

【０１０６】また、第２発明の３次元ディスプレイ装置
は、複数の異なる視差像を同時に表示する表示手段と、
表示手段に装着されておりシリンドリカルレンズのアレ
イで構成されてかつシリンドリカルレンズの光学特性を
可変できる光学手段と、観察者の頭部の空間的位置を検
出する検出手段、検出手段に接続されており検出手段で
検出された頭部の位置情報に基づいて頭部の最適位置に
立体像が再生されるように記光学手段を制御する制御手
段と、多眼表示を行うための複数の立体信号源と、複数
の立体信号源及び検出手段に接続されており検出手段で
検出された頭部の位置情報に基づいて表示手段に表示す
るための立体信号を選択する選択手段とを備えるので、
検出手段によって観察者の頭部の空間的位置を検出し、
それに応じて２眼式のレンチキュラレンズによって形成
される立体像表示空間を移動するとともに、多眼表示を
行なうための複数の立体信号源が接続された選択手段に
よって再生像を選択し、観察者の位置に応じた立体像を
呈示する。この結果、第１の発明の効果に加えて、観察
者の頭部の位置に合って、滑らかに、かつ連続的に変化
する立体像を呈示することができ、非常に自然に立体像
を観察することができる。また、背面投射型プロジェク
タを用いることにより、以上の効果に加えて、大画面化
を図ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の３次元ディスプレイ装置の一実施例の
基本構成を示す断面図である。

【図２】図１の３次元ディスプレイ装置に用いられる光
学特性可変レンズの構造拡大断面図である。

【図３】図２に示す光学特性可変レンズの屈折率分布を
の説明図である。

【図４】図１の３次元ディスプレイ装置に用いられるシ
リンドリカルレンズの光学特性を表す各変数の説明図で
ある。

【図５】図１の３次元ディスプレイ装置における表示画
素と投影像の関係を表す説明図である。

【図６】図１の３次元ディスプレイ装置における表示画
素ピッチとレンチキュラレンズピッチの関係を表す説明
図である。

【図７】図１の３次元ディスプレイ装置における表示画
素とレンチキュラレンズの相対的位置のずれ量と投影像
の位置の関係を表す説明図である。

【図８】図１の３次元ディスプレイ装置に用いられる光
学特性可変レンズの他の実施例の構造拡大断面図であ
る。

【図９】本発明の３次元ディスプレイ装置の第２実施例
の基本構造を示す断面図である。

【図１０】図９の３次元ディスプレイ装置に用いられる
撮影系の一例を示す概略説明図である。

【図１１】投射型の３次元ディスプレイ装置の基本構造
を示す断面図である。

【図１２】従来の３次元ディスプレイ装置の構造を示す
断面図である。

【図１３】従来の頭部追跡型３次元ディスプレイ装置の
構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１液晶パネル２光学特性可変レンズ３頭部検出部４光学特性可変レンズ制御部３３，３４，３５，３６立体信号源４２立体信号合成部４３立体信号選択部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−107247（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−73330（ＪＰ，Ａ) 特開平４−122922（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 27/22 G03B 35/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の異なる視差像を同時に表示する表
示手段と、該表示手段に装着されておりシリンドリカル
レンズのアレイで構成されてかつ該シリンドリカルレン
ズの光学特性を可変できる光学手段と、観察者の頭部の
空間的位置を検出する検出手段と、該検出手段に接続さ
れており該検出手段で検出された該頭部の位置情報に基
づいて該頭部の最適位置に立体像が再生されるように該
光学手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とす
る３次元ディスプレイ装置。
【請求項２】複数の異なる視差像を同時に表示する表
示手段と、該表示手段に装着されておりシリンドリカル
レンズのアレイで構成されてかつ該シリンドリカルレン
ズの光学特性を可変できる光学手段と、観察者の頭部の
空間的位置を検出する検出手段、該検出手段に接続され
ており該検出手段で検出された該頭部の位置情報に基づ
いて該頭部の最適位置に立体像が再生されるように該記
光学手段を制御する制御手段と、多眼表示を行うための
複数の立体信号源と、該複数の立体信号源及び該検出手
段に接続されており該検出手段で検出された該頭部の位
置情報に基づいて該表示手段に表示するための立体信号
を選択する選択手段とを備えることを特徴とする３次元
ディスプレイ装置。
【請求項３】前記光学手段が液晶で構成されることを
特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３次元ディス
プレイ装置。
【請求項４】前記表示手段及び前記光学手段の間に投
影レンズと拡散層とを備えることを特徴とする請求項１
又は請求項２に記載の３次元ディスプレイ装置。