JP3647118B2

JP3647118B2 - 立体画像表示装置

Info

Publication number: JP3647118B2
Application number: JP00930196A
Authority: JP
Inventors: 和隆猪口; 勉尾坂
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-01-23
Filing date: 1996-01-23
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2016-01-23
Also published as: JPH09197343A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンチキュラーレンズ等を用いたメガネなしの立体画像表示方法及び装置に関し、特に、２次元画像表示と３次元画像表示との切り換えが可能な立体画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、立体画像表示を行う方式として、レンチキュラーレンズシートを用いた立体画像表示方式（以下「レンチキュラー方式」と称す）が広く知られている。
【０００３】
レンチキュラー方式については、１９７０年頃から盛んに研究され、その結果は、例えばＯｐｌｕｓＥ誌１９９３年１１月号１００〜１０４ページに開示されている。
【０００４】
図５は、従来のレンチキュラー方式の立体画像表示装置による立体画像表示例を示す図である。
【０００５】
本従来例は図５に示すように、画像情報を表示するＬＣＤ５１０と、片面が平面で他の面が凸状のシリンドリカルレンズが左右方向に周期的に並んだ構造を有し、平面側がＬＣＤ５１０に密着することによりＬＣＤ５１０において表示された画像情報を立体的に再現するレンチキュラーシート５０２とから主に構成されており、ＬＣＤ５１０は、画像情報を液晶により表示する液晶層５１１と、液晶層５１１を挟んで設けられる２枚の基板ガラス５１２と、液晶層５１１に対して光を発して液晶層５１１内の画像情報を出力するバックライト光源５１４と、２枚の基板ガラス５１２のそれぞれの液晶層５１１と接していない側に設けられ、バックライト光源５１４及び液晶層５１１を通過した光を偏光する偏光板５１３とから構成されている。
【０００６】
以下に、上記のように構成された立体画像表示装置における立体画像表示動作について説明する。
【０００７】
まず、左右の異なった視点から撮影された２枚の視差画像Ａ，Ｂがストライプ状に分割、抽出され、これが交互に配列されて合成ストライプ画像が形成される。
【０００８】
次に、合成ストライプ画像がＬＣＤ５１０に表示される。
【０００９】
次に、ＬＣＤ５１０において表示されたストライプ画像を構成する画素Ａ群及び画素Ｂ群からの光束がバックライト光源５１４から発せられる光によってレンチキュラーシート５０２に入射される。
【００１０】
その後、レンチキュラーシート５０２において、凸面の屈折作用により、画素Ａ群及び画素Ｂ群からの光束がそれぞれ対応する観察者の左右の目ＬＥ，ＲＥに入射する。
【００１１】
上述した一連の動作によって、観察者は元の視差画像をそれぞれの眼で観察することになり、立体視が実現される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の立体画像表示装置は、隣り合う画素のペアの一方を右目に、他方を左目に導いて３次元画像の表示を行うために、２次元画像を表示する場合、隣り合う画素のペアの表示内容を同一なものとしなければならないため、２次元画像の表示の際の解像度がＬＣＤ自身の持つ解像度に対して低下してしまうという問題点がある。
【００１３】
例えば、図５に示した立体画像表示装置においては、合成ストライプ画像のうち画素Ｂ１とＡ２、Ｂ３とＡ４等の表示内容を同一なものとしなければならないため、左右方向の解像度がＬＣＤ自身の持つ解像度に対して１／２に低下してしまう。
【００１４】
本発明は、上述したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、２次元画像を表示する場合においても、ＬＣＤ自身のもつ解像度に対して解像度の低下の少ない立体画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、
画像情報を表示する画像表示手段と、該画像表示手段において互いに異なる部位にて表示された左右の視差画像をそれぞれ屈折させることにより観察者の左右の眼へと入射させるための第１の光学手段とを有し、２次元画像表示と３次元画像表示との切り換えが可能な立体画像表示装置において、
前記画像表示手段と前記第１の光学手段との間に設けられ、前記画像表示手段において表示された画像情報を転送する第２の光学手段と、
前記第２の光学手段によって転送された画像の表示面と前記第１の光学手段との距離を変化させる制御手段とを備え、
前記制御手段は、３次元画像表示を行う場合に、前記第２の光学手段によって転送された画像の表示面と前記第１の光学手段の主平面との距離を前記第１の光学手段の焦点距離に略等しくし、２次元画像表示を行う場合に、前記第２の光学手段によって転送された画像の表示面と前記第１の光学手段の主平面とを略一致させることを特徴とする。
【００１９】
また、前記第２の光学手段は、周期構造を有する光学素子であることを特徴とする。
【００２０】
（作用）
上記のように構成された本発明においては、制御手段により、３次元画像表示を行う場合は、第２の光学手段によって転送された画像表示面と第１の光学手段の主平面との距離が第１の光学手段の焦点距離に略等しくなるように第１の光学手段が移動し、２次元画像表示を行う場合は、第２の光学手段によって転送された画像表示面と第１の光学手段の主平面とが略一致するように第１の光学手段が移動する。
【００２１】
第２の光学手段によって転送された画像表示面と第１の光学手段の主平面との距離が第１の光学手段の焦点距離に略等しくなれば、画像表示手段において表示され、第２の光学手段によって転送された画像が第１の光学手段において屈折し、３次元画像が表示され、第２の光学手段によって転送された画像表示面と第１の光学手段の主平面とが略一致すれば、第１の光学手段における屈折力がほぼ０となり、２次元画像が表示される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の立体画像表示装置の第１の実施の形態を示す図であり、（ａ）は３次元画像表示時を示す図、（ｂ）は２次元画像表示時を示す図である。
【００２４】
本形態は図１に示すように、画像情報を表示するＬＣＤ１０と、片面が平面で他の面が凸状のシリンドリカルレンズが左右方向に周期的に並んだ構造を有し、凸状面がＬＣＤ１０側に向けられてＬＣＤ１０において表示された画像情報を立体的に再現する第１の光学手段であるレンチキュラーシート２と、レンチキュラーシート２を移動させるアクチュエータ５と、外部から入力される切換信号によりアクチュエータ５の動作を制御する制御回路６とから主に構成されており、ＬＣＤ１０は、画像情報を液晶により表示する画像表示手段である液晶層１１と、液晶層１１の片面上に設けられる基板ガラス１２と、液晶層１１の基板ガラス１２が設けられていない側に設けられ、周期構造を有する光学素子からなる第２の光学手段であるファイバーフェースプレート３と、液晶層１１に対して光を発して液晶層１１内の画像情報を出力するバックライト光源１４と、基板ガラス１２及びファイバーフェースプレート３のそれぞれの液晶層１１と接していない側に設けられ、バックライト光源１４及び液晶層１１を通過した光を偏光する偏光板１３とから構成されている。なお、現在、画面サイズ１０インチクラスのＬＣＤ１０の基板ガラス１２の厚さは１．１ｍｍのものが主流であるので、本形態のＬＣＤ１０のように、基板ガラス１２をファイバーフェースプレート３で代用しても偏光を保つことができ、通常のＬＣＤと同様の表示画像が得られる。
【００２５】
図２は、図１に示したレンチキュラーシート２の形状と配置の関係を説明するための図である。
【００２６】
レンチキュラーシート２を構成する個々のレンズ面Ｒ１，Ｒ２の曲率半径をそれぞれｒ１，ｒ２、レンチキュラーシート２の材質の屈折率をｎとすると、レンズ面Ｒ１による屈折力φ１及びレンズ面Ｒ２による屈折力φ２は、
φ１＝（ｎ−１）／ｒ１・・・（式１）
φ２＝（１−ｎ）／ｒ２・・・（式２）
と表される。
【００２７】
また、レンズ面Ｒ１とレンズ面Ｒ２との面間隔をｄとすると、レンチキュラーレンズ２の屈折力Φは、
Φ＝φ１＋φ２−ｅ・φ１・φ２・・・（式３）
と表される。
【００２８】
ここで、ｅはｄの空気換算距離であり、ｅ＝ｄ／ｎと表される。
【００２９】
また、レンズ面Ｒ１，Ｒ２の頂点からそれぞれの主平面Ｈ，Ｈ’までの距離Δ，Δ’はそれぞれ次の式で表される。
【００３０】
Δ＝Ｒ１Ｈ＝ｅ・φ２／Φ ・・・（式４）
Δ’＝Ｒ２Ｈ’＝−ｅ・φ２／Φ・・・（式５）
このとき、画素ピッチをＰ、観察距離をＬ、観察者の眼間距離をｅとするとき、レンチキュラーレンズ２のピッチｐを
ｐ＝２・Ｐ・Ｌ／（ｅ＋Ｌ）・・・（式６）
として、特定の視点からの画像を表示した画素群の光が全て対応する観察者の視点位置に導かれるように構成する。
【００３１】
この際、画像表示位置からレンチキュラーシート２の主平面Ｈまでの距離ｔを略レンチキュラーシートの焦点距離Ｆ（＝１／Φ）とすれば、画素からの発散光束が略平行光として観察者の左右眼に導かれる。
【００３２】
また、画像表示位置とレンチキュラーシート２の主平面Ｈとを略一致させれば、レンチキュラーシート２の屈折力を略無効にすることになる。
【００３３】
図３は、図１に示したファイバーフェースプレート３の要部拡大図である。
【００３４】
ファイバーフェースプレート３は図３に示すように、コア部３１、クラッド部３２から成るファイバー３０が密に束ねられて構成されており、ファイバーフェースプレート３の一方の端面に画像が表示されると、画像の表示光はファイバー３０内を伝送され、ファイバー３０の径の分解能で他方の端面に同じ画像が形成される。
【００３５】
以下に、図１に示した立体画像表示装置による画像表示動作について説明する。
【００３６】
ＬＣＤ１０の液晶層１１上に表示された画像が、バックライト光源１４において発せられた光によって、イメージ伝送体であるファイバーフェースプレート３に照射され、ファイバーフェースプレート３内を通ってファイバーフェースプレート３の液晶層１１とは反対側の端面上に表示される。
【００３７】
即ち、画像表示面は、本来画像表示面であった液晶層１１の表面ではなく、ファイバーフェースプレート３の液晶層１１とは反対側の端面と考えてよいことになる。
【００３８】
ここで、本形態におけるレンチキュラーシート２は、ＬＣＤ１０側を凸状面、反対側を平面として配置されているため、上述した（式２）において、ｒ２＝∞とすることができ、それにより、φ２＝０となり、また、（式１）により、Φ＝φ１となる。
【００３９】
これを（式４）に代入すると、
Δ＝０
となる。
【００４０】
即ち、レンチキュラーシート２の主平面Ｈの位置は凸面の頂点に一致する。
【００４１】
これにより、図１（ａ）に示すように、画像表示面であるファイバーフェースプレート３の端面からレンチキュラーシート２の主平面Ｈまでの距離ｔを、レンチキュラーシート２の焦点距離と等しい距離とすれば、従来のレンチキュラー方式の立体画像表示装置と同様の立体視を行うことができる。
【００４２】
また、図１（ｂ）に示したように、レンチキュラーシート２の凸面を、画像が表示されているファイバーフェースプレート３の前面の偏光板１３に密着させると、偏光板１３の厚みがかなり薄いためにレンチキュラーシート２の屈折力をほぼ０とすることができる。そのため、このような配置とすれば、ＬＣＤ１０に表示された画素Ｌ部位からの光と画素Ｒ部位からの光とがともに観察者の両方の眼Ｒ，Ｌに導かれ、両眼とも画像表示面上の全ての画素を見ることが可能である。従って、従来の立体画像表示装置のように隣り合うＲ画素とＬ画素のペアに同一の画像を表示する必要がなくなり、ＬＣＤ１０のもつ解像力に対して劣化の少ない画像表示を行うことが可能になる。
【００４３】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の立体画像表示装置の第２の実施の形態を示す図であり、（ａ）は３次元画像表示時を示す図、（ｂ）は２次元画像表示時を示す図である。
【００４４】
本形態は図４に示すように、画像情報を表示する画像表示手段であるＬＣＤ１１０と、片面が平面で他の面が凸状のシリンドリカルレンズが左右方向に周期的に並んだ構造を有し、平面がＬＣＤ１１０側に向けられてＬＣＤ１１０において表示された画像情報を立体的に再現する光学手段であるレンチキュラーシート１０２と、レンチキュラーシート１０２とＬＣＤ１１０との間に設けられ、ＬＣＤ１１０に表示されたストライプ画像を構成するＲ画素群並びにＬ画素群をそれぞれ画素毎に正立等倍結像し、Ｒ’画素群並びにＬ’画素群から成る結像面１０４を形成する屈折率分布型レンズアレイ１３３と、レンチキュラーシート１０２を移動させるアクチュエータ１０５と、外部から入力される切換信号によりアクチュエータ１０５の動作を制御する制御回路１０６とから主に構成されており、ＬＣＤ１１０は、表示画像情報を液晶により表示する液晶層１１１と、液晶層１１１を挟んで設けられる２枚の基板ガラス１１２と、液晶層１１１に対して光を発して液晶層１１１内の画像情報を出力するバックライト光源１１４と、２枚の基板ガラス１１２のそれぞれの液晶層１１１と接していない側に設けられ、バックライト光源１１４及び液晶層１１１を通過した光を偏光する偏光板１１３とから構成されている。
【００４５】
以下に、図４に示した立体画像表示装置による画像表示動作について説明する。
【００４６】
ＬＣＤ１１０の液晶層１１１において表示されたストライプ画像を構成するＲ画素群並びにＬ画素群がそれぞれ画素毎に屈折率分布型レンズアレイ１３３により正立等倍結像され、Ｒ’画素群並びにＬ’画素群から成る結像面１０４が形成される。
【００４７】
ここで、３次元画像の表示を行う場合は、図４（ａ）に示すように、結像面１０４からレンチキュラーシート１０２の主平面Ｈまでの距離ｔを、レンチキュラーシート１０２の焦点距離と等しい距離とすれば、レンチキュラーシート１０２における屈折力により、結像面１０４上のＲ’画素群からの光線が観察者の右眼ＲＥに、Ｌ’画素群からの光線が観察者の左眼ＬＥにそれぞれ導かれる。
【００４８】
また、図４（ｂ）に示すように、レンチキュラーシート１０２の主平面Ｈから画像が表示されている結像面１０４までの距離をほぼ０とすれば、レンチキュラーシート１０２の屈折力をほぼ０とすることができる。そのため、このような配置とすれば、ＬＣＤ１１０に表示された画素Ｌ部位からの光と画素Ｒ部位からの光とがともに観察者の両方の眼ＲＥ，ＬＥにそれぞれ導かれ、両眼とも画像表示面上の全ての画素を見ることが可能である。従って、通常の２次元画像表示装置と同様な解像力による画像表示を行うことが可能になる。
【００４９】
また、本形態によれば、第１の実施の形態において示したような特殊なＬＣＤパネルを用いる必要がなくなるため、ＬＣＤパネル作製プロセスにかかるコストを削減することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、画像表示手段において表示された画像情報を転送する第２の光学手段と、第２の光学手段によって転送された画像表示面と第１の光学手段との距離を変化させる制御手段を設け、３次元画像表示を行う場合は、画像表示手段において表示され、第２の光学手段によって転送された画像が第１の光学手段において屈折するように第２の光学手段によって転送された画像表示面と第１の光学手段の主平面との距離が第１の光学手段の焦点距離に略等しくなる位置に第１の光学手段が移動し、２次元画像表示を行う場合は、第１の光学手段における屈折力がほぼ０となるように第２の光学手段によって転送された画像表示面と第１の光学手段の主平面とが略一致する位置に第１の光学手段が移動する構成としたため、２次元画像表示と３次元画像表示との切り換えが可能で、２次元画像表示を行う場合においても、ＬＣＤ自身の持つ解像度に対して解像度の低下の少ない画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の立体画像表示装置の第１の実施の形態を示す図であり、（ａ）は３次元画像表示時を示す図、（ｂ）は２次元画像表示時を示す図である。
【図２】図１に示したレンチキュラーシートの形状と配置の関係を説明するための図である。
【図３】図１に示したファイバーフェースプレートの要部拡大図である。
【図４】本発明の立体画像表示装置の第２の実施の形態を示す図であり、（ａ）は３次元画像表示時を示す図、（ｂ）は２次元画像表示時を示す図である。
【図５】従来のレンチキュラー方式の立体画像表示装置による立体画像表示例を示す図である。
【符号の説明】
１，１０１立体画像表示装置
２，１０２レンチキュラーシート
３ファイバーフェースプレート
５，１０５アクチュエータ
６，１０６制御回路
１０，１１０ＬＣＤ
１１，１１１液晶層
１２，１１２基板ガラス
１３，１１３偏光板
１４，１１４バックライト光源
３０ファイバー
３１コア部
３２クラッド部
１０４結像面
１３３屈折率分布型レンズアレイ

Claims

画像情報を表示する画像表示手段と、該画像表示手段において互いに異なる部位にて表示された左右の視差画像をそれぞれ屈折させることにより観察者の左右の眼へと入射させるための第１の光学手段とを有し、２次元画像表示と３次元画像表示との切り換えが可能な立体画像表示装置において、
前記画像表示手段と前記第１の光学手段との間に設けられ、前記画像表示手段において表示された画像情報を転送する第２の光学手段と、
前記第２の光学手段によって転送された画像の表示面と前記第１の光学手段との距離を変化させる制御手段とを備え、
前記制御手段は、３次元画像表示を行う場合に、前記第２の光学手段によって転送された画像の表示面と前記第１の光学手段の主平面との距離を前記第１の光学手段の焦点距離に略等しくし、２次元画像表示を行う場合に、前記第２の光学手段によって転送された画像の表示面と前記第１の光学手段の主平面とを略一致させることを特徴とする立体画像表示装置。
請求項１に記載の立体画像表示装置において、
前記第２の光学手段は、周期構造を有する光学素子であることを特徴とする立体画像表示装置。