JP3811026B2

JP3811026B2 - 立体像表示装置

Info

Publication number: JP3811026B2
Application number: JP2001203425A
Authority: JP
Inventors: 雄三平山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: JP2003015080A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アミューズメント、インターネットショッピング、携帯端末、医療、バーチャルリアリティ、広告看板などで使われる立体表示を可能にする立体像表示方法の１つとして、右目用、左目用の平面画像をディスプレイに表示し、偏向光等を用いて右目用は右目に、左目用は左目で見えるように工夫したステレオスコープ方法がある。
【０００３】
このステレオスコープ方式は例えば偏向めがねを用いる必要がある。また、立体的に見えるが立体像を再現していないので、見る位置を変えても映像は変わらず見る位置を変えても立体像の裏側まで見えてくるというものではないのでリアリティにかけるという問題がある。また、焦点位置がディスプレイ面にあり、この焦点位置と注視物体のある輻輳位置とには、空間的ずれが生ずるため、いわゆる焦点調節と輻輳距離の不一致が生じ、観察者にとって再現される空間に違和感があり、観察者に疲労を与えやすい問題がある。
【０００４】
これらの問題を解決する立体表示方法として、非常に多くの視差画像を用いるインテグラルフォトグラフィ（ＩＰ）法或いは光線再生法と呼ばれる立体像を何らかの方法で記録しこれを再生する方法が知られている（特開平１０−２３９７８５公報、特開２００１−５６４５０公報）。ここで、インテグラルフォトグラフィ法及び光線再生法は、立体表示方法としてその用語の意味が正確には確立されていないがほぼ同一の原理に基づく。以下の説明においては、光線再生法を含む概念としてインテグラルフォトグラフィ法と称し、このインテグラルフォトグラフィ法について説明する。
【０００５】
図５は、このインテグラルフォトグラフィ法を用いた立体像表示装置である。
【０００６】
図５に示すように、液晶ディスプレイ等の表示装置５０１とニ次元配列されたピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板５０２からなる簡単な光学系で自然な三次元像が再生される。
【０００７】
表示装置５０１上には、見る角度により微妙に見え方の違う視差画像群に相当する多数のパターンが、ピンホール或いはマイクロレンズの一つ一つに対応して表示される。観察者５０５側から前記ピンホール或いはマイクロレンズを通して対応するパターンを観察すると、表示装置５０１の後面に三次元虚像５０３（後面側から見ると存在しない像）を観察することができる。
【０００８】
また、視差画像群に相当する多数のパターンから発せられた光が対応するピンホール或いはマイクロレンズを通して発せられ、この光が集光されることによって、ピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板５０２の前面に三次元実像５０４が形成される。
【０００９】
すなわち観察者５０５からピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板５０２を介して表示装置５０１上のパターンに向かう視差画像光線群によって三次元虚像５０３を観測でき、表示装置５０１上のパターンからピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板５０２を通して観察者５０５に向かう視差画像光線群を集光することによって三次元実像５０４が形成される。
【００１０】
観察者に、三次元虚像或いは三次元実像を観察できるようにするのは、その他の構成により任意に行うことができる。インテグラルフォトグラフィ法は、このように簡単な構成で自然な立体像を形成することができる。また、インテグラルフォトグラフィ法は、実際に立体像を再生しているので、偏向めがねも必要がなく観察者の見る角度によって立体像の見える角度が変わるので、よりリアルであるといえる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発明者の研究の結果、インテグラルフォトグラフィ法は、高い解像度で三次元像を再生することが困難であるということが分かった。
【００１２】
図４は、インテグラルフォトグラフィ法における三次元像の解像度とピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板５０２からの距離との関係である。
【００１３】
図４の横軸の距離が２０００となっているところがアレイ板５０２の位置であり、数字が大きくなる方が表面側（三次元実像）であり、小さくなる方が後面側（三次元虚像）である。
【００１４】
三次元像の解像度は、距離およびピンホール密度の関数として計算によって求められ、これらは、密接な関係を有している。
【００１５】
図４中、実線で示すように、ピンホール（マイクロレンズ）密度が高い場合、ピンホール（マイクロレンズ）アレイ板５０２の近傍では、三次元像の解像度は非常に高いが、アレイ板５０２から離れると急激に解像度が低下していることが分かる。
【００１６】
一方、図４中、破線で示すように、ピンホール（マイクロレンズ）密度が低い場合、ピンホール（マイクロレンズ）アレイ板５０２の近傍で三次元像の解像度はそれほど高くはないが、アレイ板５０２から離れてもある程度解像度の低下を抑制できていることが分かる。
【００１７】
したがって解像度を良くするために、ピンホール（マイクロレンズ）の密度を高くすると、ピンホール（マイクロレンズ）アレイ板５０２近傍では、三次元像の解像度は、パターンのサンプリング間隔によって定まるため、その解像度を比較的高くすることができる。しかしながらこの場合、三次元実像５０４が観察者５０５側に飛び出せば飛び出す程、或いは三次元虚像５０３が観察者５０５から離れれば離れるほど光の回折効果により解像度は、急激に劣化してしまう。
【００１８】
一方、ピンホール（マイクロレンズ）密度を低くすると、三次元実像が観察者側に飛び出した位置や、逆に離れる場合は比較的解像度は高く保持されるが、アレイ板５０２近傍では解像度の絶対値自体が低い。
【００１９】
このようにインテグラルフォトグラフィ法では、立体像の解像度がピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板５０２からの距離によって急激に低下し、奥行き方向の解像度を優先した場合にはアレイ板５０２近傍での解像度の絶対値が低いという問題がある。このため奥行きの広い範囲に渡って高解像度の三次元像を形成することができない問題がある。
【００２０】
本発明は、上記問題を解決するために成されたもので、広い奥行き範囲に渡って高解像度の立体像表示装置を堤供することを目的とする。
【００２１】
【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、表示されるべき立体像に対応した複数の視差画像を平面的に表示させる表示手段と、
前記表示手段の前面側或いは後面側に設けられ、前記複数の視差画像に対応して、この視差画像を観る或はこの視差画像からの光線が通過する複数のピンホール或いはマイクロレンズが平面的正方格子状に配置されたアレイ板と、
前記アレイ板の前記ピンホール或いは前記マイクロレンズの面内密度の高低を交互に変化させ、前記複数の視差画像の対応の密度を変化させる可変手段とを具備し、
前記表示手段の後面側及び前面側の少なくとも一方の広い奥行き範囲に高解像度の立体像を表示することを特徴とする立体像表示装置を提供する。
【００２２】
また、本発明は、表示されるべき立体像に対応した複数の視差画像を平面的に表示させる表示手段と、
前記表示手段の後面に設けられ、前記複数の視差画像に対応して、この視差画像を照明する複数の点光源であるＬＥＤが平面的正方格子状に配置されたアレイ板と、
前記アレイ板の前記ＬＥＤが照明する面内密度の高低を交互に変化させ、前記複数の視差画像の表示する密度の対応を変化させる可変手段とを具備し、
前記表示手段の後面側及び前面側の少なくとも一方の広い奥行き範囲に高解像度の立体像を表示することを特徴とする立体像表示装置を提供する。
【００２３】
このとき、前記可変手段は、前記面内密度を３０Ｈｚから１２０Ｈｚの周波数で変化させることが好ましい。
【００２４】
さらに、前記可変手段は、異なる奥行き位置毎に対応した前記複数の視差画像の表示に対応する前記アレイ板の面内密度の高低を交互に変化させ、前記表示手段は、その後面側及び前面側の少なくとも一方に結像奥行き位置が異なる複数の立体像を広い奥行き範囲に渡って表示することを特徴とする立体像表示装置を提供する。
【００２５】
インテグラルフォトグラフィや光線再生法に基づいて視差画像情報の載った光線群により空間中に立体像を再現する際、ピンホールアレイ或いはマイクロレンズの面内密度を３０Ｈｚから１２０Ｈｚの周波数で変化し、複数のパターンもこのピンホール或いはマイクロレンズの密度に応じて変化させる。こうすることによって解像度の高い立体像が広い奥行きに渡って再現され、自然な立体視が可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明者は、ピンホール或いはマイクロレンズ密度と再生される立体像の解像度について種々検討した。
【００２７】
図４は、このときの結果を、横軸をピンホール或いはマイクロレンズの位置を２０００として、０から３０００まで、縦軸を立体像の解像度として示した図である。
【００２８】
図４中、実線で示すように、ピンホール或いはマイクロレンズ密度が高い場合には、ピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板近傍では解像度が高いが、前後に離れるに従い解像度が急激に低下する。また、ピンホール或いはマイクロレンズ密度が低い場合には、ピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板近傍での解像度は低いが前後に離れた場合の解像度の劣化が比較的少ない。
【００２９】
通常、ピンホール或いはマイクロレンズ密度が高い場合と低い場合に得られる三次元像を合成した場合、解像度は密度が高い場合の解像度と低い場合の解像度のうち低いほうの像で決定されると考えられる。
【００３０】
このことは図３に示すように、高解像度の平面画像（ａ）と、低解像度の平面画像（ｂ）を重ね合わせた合成画像（ｃ）の解像度が低解像度となることからわかる。
【００３１】
しかしながら、本発明者が鋭意研究の結果、図３に示すように、高解像度の平面画像（ａ）と、低解像度の平面画像（ｂ）を時間的に交互に表示すると認識される交互に示した画像イメージ（ｄ）は高解像度となることがわかった。
【００３２】
これは高解像度の画像ほど人間の目に残像として残りやすいためではないかと考えられる。実験の結果、特に３０Ｈｚから１２０Ｈｚの周波数で、高解像度画像（ａ）と低解像度画像（ｂ）を交互に表示すると良好な画像が観測された。本発明は、この視覚の原理を用いている。
【００３３】
すなわち、ピンホール或いはマイクロレンズが高密度なアレイ板と低密度なアレイ板を交互に表示することによって、観測される立体像は、図４に示すピンホール（マイクロレンズ）密度と解像度との曲線のうちいずれの距離においても解像度の高い方が見えることになり、最も上側の線で決まる高解像度立体画像が認識されることとなる。
【００３４】
以下図面を参照して、本発明の立体像表示装置について具体的に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる立体像表示装置の構成図である。
【００３５】
図１に示すように、この立体像表示装置は、液晶ディスプレイ等の表示装置１０１と、この前面に配置され、ニ次元配列されたピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板１０２からなる簡単な光学系で自然な三次元像が再生される。
【００３６】
表示装置１０１上には、見る角度により微妙に見え方の違う視差画像群に相当する多数のパターンが、ピンホール或いはマイクロレンズの一つ一つに対応して表示される。この視差画像群は例えば表示される像が立方体であれば、それぞれ見る角度に応じた立方体のパターンが複数表示されている。観察者１０６側からの光が前記ピンホール或いはマイクロレンズを通して対応するパターン（見る角度によって異なるパターン）を観察すると、表示装置１０１の後面に三次元虚像１０４（後面側から見ると存在しない像）を観察することができる。
【００３７】
また、視差画像群に相当する多数のパターンから発せられた光が対応するピンホール或いはマイクロレンズを通して発せられ、この光が集光レンズ等によって集光されることによって、ピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板１０２の前面に三次元実像１０５が形成される。
【００３８】
すなわち観察者１０６からピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板１０２を介して表示装置１０１上のパターンに向かう視差画像光線群によって三次元虚像１０４を観測でき、表示装置１０１上のパターンからピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板１０２を通して観察者１０６に向かう視差画像光線群を集光することによって三次元実像１０５が形成される。
【００３９】
ここで、液晶ディスプレイ等の表示装置１０１上に適切なパターンを表示させることによって、三次元実像１０５のみ、三次元虚像１０４のみ、或いは、三次元実像１０５と三次元虚像１０４とを同時に表示再生することができる。三次元実像１０５と三次元虚像１０４を同時に表示再生する例として、三次元実像１０５に人体像を表示再生させ、三次元虚像１０４に風景等の背景を表示させることができる。また、ここでは説明を容易にするため２つの物体の像しか図示していないが、再生する三次元像は、液晶ディスプレイの奥から手前まで連続的に複数の物体の像を再現することができる。
【００４０】
本実施形態では、アレイ板１０２は、多数のピンホールがアレイ状に形成された液晶ピンホールアレイから構成されている。この液晶ピンホールアレイは、一定ピッチで正方格子状に所定の直径のピンホールが開口するように、液晶を駆動装置１０３により制御できるようになっている。駆動装置１０３は、液晶ピンホールアレイ板１０２のピンホール密度を高速に変化させることが可能となっている。
【００４１】
また、表示装置１０１の液晶ディスプレイ上に表示する多数の視差画像もまたある所定ピッチで表示される。そして液晶ピンホールアレイ板１０２と同期し、所定のピンホールに視差画像が対応するように駆動装置１０３によって駆動される。
【００４２】
本実施形態では、ピンホール密度を変化させる駆動方法として、ピンホールの間隔を２種類とし駆動装置１０３により特定の周期でピンホールの間隔を変化させた。同時に、液晶ディスプレイ１０１上のパターンもこれに同期して移動するようにした。
【００４３】
このようにして駆動したときの観測される立体像について説明する。液晶ピンホールアレイ１０２を正方格子状に配置し、そのピンホールを２．０ｍｍピッチ及び５．０ｍｍピッチとなるように６０Ｈｚ周期で交互に変化する。そうすると各ピンホールに相当する光透過部の直径が１００μｍで形成され、液晶ディスプレイ１０１上に視差画像がピンホールのピッチと同様のピッチで表示される。
【００４４】
このような条件で駆動したとき、三次元虚像１０４及び三次元実像１０５は、奥行きの広い範囲に渡ってはっきりとした立体像が認識され、目の焦点調節も容易に行われ自然で良質な立体像が観測された。
【００４５】
図２は、本発明の第２の実施形態にかかる立体像表示装置の構成図である。
【００４６】
図２に示すように、この立体像表示装置は、液晶ディスプレイ等の表示装置２０１と、この後面に配置され、ニ次元配列されたＬＥＤのアレイ板２０２からなる簡単な光学系で自然な三次元像が再生される。
【００４７】
表示装置２０１上には、見る角度により微妙に見え方の違う視差画像群に相当する多数のパターンが、後面のＬＥＤ一つ一つに対応して表示される。後面のＬＥＤからの光がパターンを照らし、このパターンを観察者１０６から観察すると、表示装置２０１の後面に三次元虚像２０４（後面側から見ると存在しない像）を観察することができる。
【００４８】
また、二次元に配列されたＬＥＤによって、視差画像群に相当する多数のパターンが照らされ、発せられた光が集光されることによって、表示装置２０１の前面に三次元実像２０５が形成される。
【００４９】
すなわち二次元配列されたＬＥＤにより照らされた表示装置２０１上のパターンからの視差画像光線群によって、三次元虚像２０４を形成でき、前記視差画像光線群を集光することによって三次元実像２０５が形成できる。
【００５０】
ここで、液晶ディスプレイ等の表示装置２０１上に適切なパターンを表示させることによって、三次元実像２０５のみ、三次元虚像２０４のみ、或いは、三次元実像２０５と三次元虚像２０４とを同時に表示再生することができる。三次元実像２０５と三次元虚像２０４を同時に表示再生する例として、三次元実像２０５に人体像を表示再生させ、三次元虚像２０４に風景等の背景を表示させることができる。また、ここでは説明を容易にするため２つの物体の像しか図示していないが、再生する三次元像は、液晶ディスプレイの奥から手前まで連続的に複数の物体の像を再現することができる。
【００５１】
本実施形態では、アレイ板２０２は、多数のＬＥＤがアレイ状に形成されたＬＥＤアレイから構成されている。このＬＥＤアレイは、一定ピッチで正方格子状に配置され、駆動装置２０３により発光するＬＥＤの個数を制御し、点光源の密度を制御できるようになっている。
【００５２】
また、表示装置２０１の液晶ディスプレイ上に表示する多数の視差画像もまたある所定ピッチで表示される。そしてＬＥＤのアレイ板２０２と同期し、所定のＬＥＤに視差画像が対応するように駆動装置２０３によって駆動される。
【００５３】
このような構成を有する立体像表示装置においても、第１の実施形態と同様に解像度が向上され、よりリアルで自然な立体像が広い範囲で観測される。
【００５４】
また、本実施形態では、放射角の異なる２種類のＬＥＤを用いてもよい。具体的な放射角として３０度と６０度の２種類を用い、交互に点滅させる。放射角３０度のＬＥＤは６０度のものに比べ密に配置する。
【００５５】
こうすることによって、点光源の疎密を変化させた場合、密度が小さいときに広い範囲を照射でき、密度が高いときに狭い範囲を照射できるというように液晶表示装置２０１上の必要な場所だけを照射できるためエネルギー効率をあげることができる。また、余分な場所を照射しないので偽像が発生しないという効果もある。
【００５６】
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、表示デバイスとして液晶ディスプレイの代わりにＣＲＴ、プラズマディスプレイ、ＥＬディスプレイなどが用いられても良い。
【００５７】
さらに、三次元像に触れたことを感知する検出器が装置に設けられ、感知した情報をフィードバックして手に抵抗感を与えることもできる。その他、その詳細は、仕様に応じて適宜変更することもできる。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳述したようにこの発明では、視差画像情報の載った光線群により空間中に三次元像を形成する立体像表示方法において、奥行きの広い範囲に渡って高解像度の立体画像が表示可能な立体像表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる立体像表示装置の概略図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係わる立体像表示装置の概略図。
【図３】高解像度画像（ａ）、低解像度画像（ｂ）、これらを合成した場合の合成画像（ｃ）および交互に表示した画像イメージ（ｄ）をそれぞれ示す図。
【図４】ピンホールの疎密と距離に依存して再現される三次元像の解像度の変化を示すグラフ。
【図５】従来の立体像表示装置の概略図。
【符号の説明】
１０１・・・液晶ディスプレイ
１０２・・・液晶ピンホールアレイ板
１０３・・・駆動回路
１０４・・・三次元虚像
１０５・・・三次元実像
１０６・・・観察眼
２０１・・・液晶ディスプレイ
２０２・・・ＬＥＤアレイ板
２０３・・・駆動回路
２０４・・・三次元虚像
２０５・・・三次元実像
５０１・・・液晶ディスプレイ
５０２・・・ピンホールアレイ板
５０３・・・三次元虚像
５０４・・・三次元実像
５０５・・・観察眼

Claims

表示されるべき立体像に対応した複数の視差画像を平面的に表示させる表示手段と、
前記表示手段の前面側或いは後面側に設けられ、前記複数の視差画像に対応して、この視差画像を観る或はこの視差画像からの光線が通過する複数のピンホール或いはマイクロレンズが平面的正方格子状に配置されたアレイ板と、
前記アレイ板の前記ピンホール或いは前記マイクロレンズの面内密度の高低を交互に変化させ、前記複数の視差画像の表示する密度の対応を変化させる可変手段とを具備し、
前記表示手段の後面側及び前面側の少なくとも一方の広い奥行き範囲に高解像度の立体像を表示することを特徴とする立体像表示装置。
表示されるべき立体像に対応した複数の視差画像を平面的に表示させる表示手段と、
前記表示手段の後面に設けられ、前記複数の視差画像に対応して、この視差画像を照明する複数の点光源であるＬＥＤが平面的正方格子状に配置されたアレイ板と、
前記アレイ板の前記ＬＥＤが照明する面内密度の高低を交互に変化させ、前記複数の視差画像の表示する密度の対応を変化させる可変手段とを具備し、
前記表示手段の後面側及び前面側の少なくとも一方の広い奥行き範囲に高解像度の立体像を表示することを特徴とする立体像表示装置。
前記可変手段は、前記面内密度を３０Ｈｚから１２０Ｈｚの周波数で変化させることを特徴とする請求項１或いは請求項２記載の立体像表示装置。
前記可変手段は、異なる奥行き位置毎に対応した前記複数の視差画像の表示に対応する前記アレイ板の面内密度の高低を交互に変化させ、前記表示手段は、その後面側及び前面側の少なくとも一方に結像奥行き位置が異なる複数の立体像を広い奥行き範囲に渡って表示することを特徴とする請求項１或いは請求項２記載の立体像表示装置。