JP3861406B2 - 立体画像表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察者が容易に画質の高い立体画像（観察位置が明瞭で妨害の少ない立体画像）を眼鏡なしで観察できる立体画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の立体画像表示装置としては、特開平８ー２１１３３５号公報（特願平７−２７５３０８号）に示されたものがある。これは、図１０に示すように、画像が光として放射される方向を規定するために、画像表示手段に表示された画像を、画像透過手段３を通して出力し、さらに画像透過手段の位置と画像光路決定手段の位置により、画像表示手段に表示された画像の光が進む光路を決定し、人間の左右２つの目に視差を持つ２つの画像がそれぞれ入射するように構成したものである。
【０００３】
図１０において、１は画像表示手段、２は筐体、３は画像透過手段、４は画像光路決定手段、５ａ，５ｂは駆動手段、６は観察者、７は画像発生手段である。また、図１１に、画像透過手段と画像光路決定手段の詳細を示す。
【０００４】
画像透過手段３、画像光路決定手段４において、黒部分（図では斜線部分）は光を遮断し、白部分は光を透過する部分である。これは水平軸に沿った断面構造であるが、縦方向には同じ構造を持っており、ストライプ構造（すだれ状に光透過／遮断領域が繰り返された構造）になっている。
【０００５】
画像発生手段７から出力される時分割立体画像信号は、左画像と右画像が時間的（フィールドまたはフレーム毎）に交互に切り替わっている画像信号である。画像表示手段１に右画像が表示された場合を考える。この場合、画像透過手段３と画像光路決定手段４は、画像発生手段７の出力であり、現在左右どちらの画像信号が出力されているかを示すタイミング信号を元に動作する駆動手段５によって図１１の状態に制御される。この時、画像表示手段１から出射された光は画像透過手段３、画像光路決定手段４の光透過部分を通過して観察者６の右目のみに入射する。
【０００６】
次に、画像表示手段１に左画像を表示し、画像光路決定手段４の光遮断部分と光透過部分の位置が入れ替わるように画像光路決定手段４を設定すると、観察者６の左目のみに左画像が入射する。これを高速に行うと、観察者６の残像効果によって左右眼に左右画像がそれぞれ独立提示され、立体視を行うことができる。
【０００７】
また、観察者６が左右に移動した場合、左右眼にそれぞれ左右画像を常に正しく入射するために、観察者６の頭部位置（または眼の位置６ａ、６ｂ）を超音波や磁気センサ等を利用して測定し、それに合わせて画像透過手段３または画像光路決定手段４の位置を制御する。図１２（ａ）は、観察者の眼球が位置ＤからＥに移動した場合の制御方法を示している。このように観察者が横方向にΔｘ移動した場合は、Δｗ＝ｄ／Ｌ×Δｘ（Ｌは視距離、ｄは画像透過手段３と画像光路決定手段４の距離）だけ画像光路決定手段４を移動すれば、観察者６の眼に正しく画像が表示される。
【０００８】
また、図１２（ｂ）の様に観察者の眼球が位置ＧからＨにΔＤ移動した場合はΔｚ＝ｄ／Ｌ×ΔＤだけｄを変化させるように画像光路決定手段４の位置を移動すれば、常に観察者６の眼に画像が正しく表示される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の立体画像表示装置は、左右画像が観察できる位置が横方向に交互に並ぶため、観察者の位置によっては左画像が右目に、右画像が左目に入射し、奥行きが反転した状態で観察してしまう場合があり、観察する正しい位置を知ることが観察者にとって難しいという問題点があった。
【００１０】
本発明は、従来のこのような立体画像表示装置の課題を考慮し、観察者が正しい観察位置を容易に探すことができる立体画像表示装置を提供する。
【００１１】
尚、本発明の課題とは関係ないが、他の課題として以下のようなことがある。
画像透過手段または画像光路決定手段はストライプ状のパタンで構成されるが、これのピッチと画像表示手段のＲＧＢ要素の周期ピッチのビート妨害が観察され、画質を損なうという問題点があった。
【００１２】
また、観察者が移動すると立体視出来なくなるために、観察者の位置を計測して観察者の左右眼に左右画像がそれぞれ入射するように画像透過手段または画像透過手段を平行移動するか、これらの間隔を制御していたが、ストライプ状のパタンの位置を移動する必要があり、機械的な動作を必要としたり、ビットマップ画像を表示できる液晶パネルを用いるため、移動量の量子化ステップが大きいという問題点があった。
【００１３】
また、左右画像の切り替え速度が５０Ｈｚ以下の場合、表示画像にフリッカーが生じるという問題点もあった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、時系列に画像を表示する画像表示手段と、前記画像表示手段に表示された画像を透過させ部分的に観察者方向に出力する画像透過手段と、透過した画像の光路を決定する画像光路決定手段を備え、画像光路決定手段は画像表示手段に表示される画像の切り替え周期に対応して画像の光路を切り替えることにより左右眼に独立に画像を提示し、画像光路決定手段に光透過禁止部分を周期的に配置することによって画像観察不能領域を作り、左右眼に左右画像がそれぞれ正しく入射しやすくするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における立体画像表示装置の画像透過手段３、画像光路決定手段４、画像表示手段１の部分を示すものである。
【００１７】
従来の技術で説明した図１１との違いは、画像光路決定手段４に、光透過禁止部分（黒色部分）４１が周期的に付加されていることである。
【００１８】
左右眼に独立に左右画像をそれぞれ入射させる基本的な動作は、従来の技術にて説明したものと同じである。すなわち、図１１において、画像発生手段７から出力される時分割立体画像信号は画像表示手段１に入力され、右画像が表示された場合、画像透過手段３と画像光路決定手段４は、駆動手段５によって図１の状態に制御される。この時、画像表示手段１から出射された光は画像透過手段３、画像光路決定手段４の光透過部分を通過して観察者６の右目のみに入射する。
【００１９】
次に、画像表示手段１に左画像を表示し、画像光路決定手段４の光遮断部分と光透過部分の位置が入れ替わるように設定され、観察者６の左目のみに左画像が入射する。これを高速に行い観察者６の残像効果によって左右眼に左右画像がそれぞれ独立提示され、立体視が成立する。
【００２０】
図１の状態は観察者の右目に右画像を入力する状態を示している。画像光路決定手段４の黒色部分は光透過禁止部分（常に光を遮断する部分）４１、斜線部は光遮断部分、白色部分は光透過部分である。また、画像透過手段３の黒色部分は光遮断部分、白色部分は光透過部分である。観察者６の左目に左画像を入射する場合は、画像表示手段１に左画像を表示し、画像光路決定手段４の斜線部と白色部の位置が反転するように設定する。
【００２１】
この場合、左画像が観察できる領域、右画像を観察できる領域は、光透過手段３及び画像光路決定手段４の光透過部分の位置関係によって決定され、図１にそれぞれＬ、Ｒで示す。また、画像光路決定手段４の光通過禁止部分を通過する部分は常に画像が見えない部分であり、これはＸで示す。この様に、画像光路決定手段４に光通過禁止部分を周期的に付加することによって、空間に右画像の観察できる領域Ｒ、左画像の観察できる領域Ｌ、どちらの画像も観察できない領域Ｘが順番に再帰的に配置される。
【００２２】
このようにすることによって、観察者６の位置が左右にずれると、右画像が右目に、左画像が左目に入力される状態（Ｔ状態：正しく立体視できる状態）、片目のみ画像が観察できる状態（Ｘ状態）、右画像が左目に、左画像が右目に入力される状態（Ｒ状態：正しく立体視できない状態）が存在する。ここで図１の長さＷが観察者６の両眼間隔Ｗｓ以上の場合、Ｒ状態が発生しないように設定できる。
【００２３】
また、ＷがＷｓより小さくても、任意の位置に観察者の頭部が来た場合、Ｔ状態もしくはＸ状態になる確率は従来の技術（図１１で確率は５０％）よりも高くなり、正しい状態（Ｔ状態）にて立体画像を観察出来る確率が高くなり（Ｒ状態になる確率が小さくなり）、容易に正しく立体視しやすくなる。又、Ｘ状態は、観察者が用意に知覚できるので、その場合は左右に頭部を動かして、Ｔ状態になるように自分で調整する。
【００２４】
これに対して、図１１に示したような従来の技術では領域Ｒ、Ｌが交互に配置されるので、観察者６の位置が左右にずれるとＴ状態とＲ状態が交互に発生し、どちらの状態であるかの判断が観察者は行いにくいため、正常に立体画像を観察できる場所の判断がしにくかった。
【００２５】
以上のようにすることによって、本実施の形態によれば、観察者が正常に立体視を行いやすくすることができる。
【００２６】
なお、第１の実施の形態において、図２に示すように画像透過手段３、画像光路決定手段４の位置関係を反対に設定しても、同様の効果が得られる。
【００２７】
また、第１の実施の形態において、図１の画像光路決定手段４のストライプ構造を、ドットマトリクス構造（またはストライプ構造）のアドレッシング可能な光透過／遮断機能を持ち任意の場所の光の透過／遮断を制御できる液晶シャッタ素子等を用いて実現し、従来の技術における図１２（ａ）と同様に観察者の位置に合わせて光の透過／遮断領域の位置関係を保ちながら（光通過禁止部分も含めて）全体的に横方向に移動すれば、観察者の位置が移動しても常に両眼立体視可能な表示を行うことが出来る。
【００２８】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態における立体画像表示装置の、画像透過手段３、画像光路決定手段４、画像表示手段１、観察者の瞳８の位置関係を示すものである。
【００２９】
立体画像表示装置としての動作は従来の技術、第１の実施の形態と同じであるが、画像透過手段３、画像光路決定手段４と画像表示手段の間隔Ｗがある特定の間隔に設定されることが特徴となる。
【００３０】
以上のように構成された第２の実施の形態の動作を以下に説明する。まず、第１の実施の形態と同様にして、左右眼に独立に左右画像をそれぞれ入射させる。すなわち、画像発生手段７から出力される時分割立体画像信号は、画像表示手段１に入力され、右画像が表示された場合、画像透過手段３と画像光路決定手段４は、駆動手段５によって図１の状態に制御される。この時、画像表示手段１から出射された光は観察者６の右目のみに入射する。
【００３１】
次に、画像表示手段１に左画像を表示し、画像光路決定手段４の光遮断部分と光透過部分の位置が入れ替わるように設定され、観察者６の左目のみに左画像が入射する。これを高速に行い観察者６の残像効果によって左右眼に左右画像がそれぞれ独立提示され、立体視が成立する。
【００３２】
この時、画像表示手段１は、ＲＧＢの各要素色の合成によって任意の色画像を得ている。図３中のＰCRTは、ＲＧＢ一組の横方向（ｘ軸方向）の長さ(ピッチ）を示している。
【００３３】
これは、図５に示す様に、ストライプタイプの画素配列（図５（ａ））や、マトリクス構造を持つような画素配列（図５（ｂ））があるが、周期構造に注目して算出される。また、Ｐ1は、画像透過手段３または画像光路決定手段４の１ピッチの長さを示している。たとえば、Ｐ１＝０．２ｍｍ、ＰCRT＝０．３ｍｍであるとすると、図４の周波数スペクトルで考えると、
１／ＰCRT − １／Ｐ1 ＝ １／１．２の計算より、周期１．２ｍｍの色モアレが画像上に観察される。
【００３４】
これは、画像表示手段から放射される光が観察者の瞳８に入射する時、ある特定の画像表示手段１の領域からの光が瞳を通過するように、画像表示手段１と画像透過手段３または画像光路決定手段４との距離Ｗを設定すると、抑圧されるという性質を持っている。
【００３５】
図３に示したように、画像のある点Ｐから放射される光のうち、画像透過手段３、画像光路決定手段４の光透過部分を通過し、瞳に入射する成分を計算し、これが点Ｐのｘ座標によってどのように変化するか（ｚ＝０）をｗをパラメータとしてグラフ表示したものが図６である。
【００３６】
これを見ると、ｗ＝０の場合、ストライプ構造そのものの窓を通して画像を観察するような矩形波形になっており、この矩形波が画像表示手段１の表示画像を変調する形となり、ビート妨害が発生する。この変調波形の振幅が小さいほど、発生するビート妨害も小さくなり、振幅０の場合、ビート妨害も消滅する。
【００３７】
Ｗが大きくなるに従って、瞳に入る光が出射する領域が広くなり、基本周波数が下がり、波形の振幅が低下する。波形の振幅とＷの関係を示したのが図７である。この場合は、視距離ｄｓ＝５００ｍｍであるが、Ｗ＝１２０〜１３０ｍｍでＷ＝０の時の約１／２０の振幅になることがわかる。この近辺にＷの値を設定することによって、ビート妨害を抑圧することが出来る。
【００３８】
また、一般的に画像表示手段１と画像透過手段３は数ｍｍの距離に設定され、視距離ｄｓは実際には多少変化するので、Ｗとしては画像表示手段１と画像透過手段３または画像光路決定手段４のどちらの距離を用いても、設定値に大きなずれは生じない。
【００３９】
以上のように、画像透過手段３、画像光路決定手段４と画像表示手段の間隔Ｗを、ある特定の間隔に設定することによって、ビート妨害を抑圧することができる。
【００４０】
（第３の実施の形態）
図８は、本発明の第３の実施の形態における立体画像表示装置の構成を示したものである。図中１は画像表示手段、３は画像透過手段、４は画像光路決定手段、５は駆動手段、６は観察者、７は画像発生手段、９は信号制御部、１０は磁界検出コイル、１１は磁界発生手段、１２は３次元位置測定手段である。
【００４１】
立体画像表示装置としての基本動作は従来の技術、第１、第２の実施の形態と同じである。異なるのは、観察者の位置を３次元位置測定手段１２で測定し、これによって信号制御部９が観察者６が正しく立体視できるように時分割立体画像信号の位相とタイミング信号を生成する点である。
【００４２】
以上のように構成された第３の実施の形態の動作を説明する。まず、第１の実施の形態と同様にして、左右眼に独立に左右画像をそれぞれ入射させる。すなわち、画像発生手段７から出力される時分割立体画像信号は、信号制御部９を通過して画像表示手段１に入力され、右画像が表示された場合、画像透過手段３と画像光路決定手段４は、駆動手段５によって図１の状態に制御される。この時、画像表示手段１から出射された光は、観察者６の右目のみに入射する。
【００４３】
次に、画像表示手段１に左画像を表示し、画像光路決定手段４の光遮断部分と光透過部分の位置が入れ替わるように設定され、観察者６の左目のみに左画像が入射する。これを高速に行い観察者６の残像効果によって左右眼に左右画像がそれぞれ独立提示され、立体視が成立する。
【００４４】
次に、観察者の右眼の位置を磁界検出コイル１０、磁界発生手段１１、３次元位置測定手段１２で検出する。検出は３軸直交した磁界を磁界発生手段１１が発生し、それぞれの磁界を直交する３つのコイルで検出し、これらの値によって３次元位置を算出する（参考文献：特願平９−１８６３４５号、図１６）。
【００４５】
また、３次元位置を測定する手段はこの他にも超音波を用いた３次元位置検出方法等があり、何を用いてもよい。検出された位置信号は信号制御部９に入力され、ここで観察者の右目が正しく図１１のＲ領域にあるかどうかを判断する。
【００４６】
もしも、右目がＬ領域にある場合、信号制御部９は時分割立体画像信号の位相（左右画像のタイミングと画像光路決定手段４の位置の関係）を反転する。右目がＲ領域にある場合は現在の位相で時分割立体画像信号を出力する。これによって、図１１でのＲ領域とＬ領域が入れ替わり、観察者の左右眼に左右画像がそれぞれ正しく入射する。
【００４７】
以上のようにすることによって、画像光路決定手段４、画像透過手段３の位置を機械的・電子的に移動することなく、時分割立体画像信号と画像光路決定手段４の位置の関係を制御するだけで、常に正しく観察者の左右眼に左右画像をそれぞれ提示することができる。
【００４８】
又、第３の実施の形態において、右目の位置を元に制御を行ったが、左目の位置を用いて、また、左右眼の中心位置等を計算してそれを基準として観察者６の両眼に正しく左右画像が入射しているかどうかを判断して制御を行ってもよい。
【００４９】
また、第１〜３の実施の形態において、画像光路決定手段において実現されるバリア構造を、光を遮断／透過するモードではなく、光を散乱／透過するモードで動作する材料を用いて構成すれば、観察される画像のフリッカを低減することが出来る。具体的な例として、分散液晶を用いる場合を説明する。
【００５０】
まず、分散液晶による光透過／遮断について、図９を用いて説明する。図９において、１３は透明電極、１４は液晶を封止する透明プレート、１５はポリマと液晶、染料からなる微粒子液晶である。透明電極に電圧をかけない図９（ａ）では、微粒子液晶１５の屈折率ｎ２とそれ以外の部分の媒体の屈折率ｎ１は異なっており、入射した光は複数の微粒子液晶１５で複雑に屈折して散乱する（散乱状態）。透明電極に電圧をかける図９（ｂ）においては、微粒子液晶の屈折率ｎ２が変化しｎ１＝ｎ２となり、全体がガラス板と同じような状態になり、入射光はそのまま直進する（透過状態）。
【００５１】
この様な分散液晶を用いて、図１、図２、図１１に示すような画像光路決定手段４を構成して立体画像表示装置を作成する。基本的には本発明の第１〜３の実施の形態と同じで、画像光路決定手段４の光透過／遮断モードを分散液晶の光透過／散乱モードに置き換えることになる。この場合、光を遮断せずに散乱するため、たとえば右目に右画像が入射される時には左目に左画像の散乱像（ぼんやり明るい画面）が入力されるので、観察画像は少しコントラストが低下するが、その分左右画像切り替えによる画像フリッカ成分を抑圧することが出来る。更に、図９の液晶微粒子またはそれ以外の媒体の部分の染料の含有量を制御することによって全体的な光透過率を変化させ、好みの画像コントラスト・輝度を設定することが出来る。
【００５２】
また、画像光路決定手段が光透過モードの部分は、通常のＴＮ液晶と直線偏光板を用いた場合光透過率が４０％程度と低く、画面が暗くなるが分散液晶の場合は光透過率が９０％以上あるので、明るい画面を観察することが出来る。
以上のように本実施例は、観察者が正しい観察位置を容易に探すことが出来、また、表示画像のビート妨害を抑圧し画質を向上し、観察者の移動に対して機械的な動作やストライプパタンの位置を動かすことなく正しく観察者が立体視でき、表示画像のフリッカーを抑圧して画質の高い立体画像を表示することのできる立体画像表示装置を提供することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように本発明は、観察者が正しい観察位置を容易に探すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における第１の実施の形態の立体画像表示装置の光路を示す線図
【図２】 本発明における第１の実施の形態の他の立体画像表示装置の光路を示す線図
【図３】 本発明における第２の実施の形態の立体画像表示装置のビート妨害発生原理図
【図４】 同立体画像表示装置のビート妨害発生過程の周波数領域での動作を示す図
【図５】 （ａ），（ｂ）同立体画像表示装置の画像表示手段の画素配列を示す線図
【図６】 本発明における第２の実施の形態の立体画像表示装置の画像光路決定手段または画像透過手段による画像の変調波形計算結果を示す線図
【図７】 本発明における第２の実施の形態の立体画像表示装置の画像光路決定手段または画像透過手段による画像の変調振幅計算結果を示す図
【図８】 本発明における第３の実施の形態の立体画像表示装置の構成図
【図９】 （ａ），（ｂ）本発明における立体画像表示装置の画像光路決定手段に用いる分散液晶の動作を示す図
【図１０】 従来の立体画像表示装置の構成図
【図１１】 従来の立体画像表示装置の光路を示す線図
【図１２】 （ａ），（ｂ）従来の立体画像表示装置の観察者の移動に対応した画像光路決定手段および画像透過手段の制御を示す図
【符号の説明】
１ 画像表示手段
２ 筐体
３ 画像透過手段
４ 画像光路決定手段
５ 駆動部
６ 観察者
７ 画像発生手段
８ 観察者の瞳
９ 信号制御部
１０ 磁界検出コイル
１１ 磁界発生手段
１２ ３次元位置測定手段
４１ 光透過禁止部分

Claims (3)

1. 時系列に画像を表示する画像表示手段と、前記画像表示手段に表示された画像を透過させ部分的に観察者方向に出力する画像透過手段と、透過した画像の光路を決定する画像光路決定手段を備え、前記画像光路決定手段は前記画像表示手段に表示される画像の切り替え周期に対応して画像の光路を切り替えることにより左右眼に独立に画像を提示する立体画像表示装置であって、
   前記画像光路決定手段に光透過禁止部分を周期的に配置することによって左右眼に左右画像がそれぞれ正しく入射しやすくする画像観察不能領域を設けたことを特徴とする立体画像表示装置。
2. 前記画像光路決定手段は、光透過部分・光遮断部分・光透過禁止部分の位置関係を保ちながら全体的に移動可能であり、観察者の頭部または眼の位置を計測する観察者位置測定手段の出力を用いて観察者の左右眼にそれぞれ左右画像が正しく入射されるように前記全体的な移動量を与えることを特徴とする請求項１記載の立体画像表示装置。
3. 時系列に画像を表示する画像表示手段と、前記画像表示手段に表示された画像を透過させ部分的に観察者方向に出力する画像透過手段と、透過した画像の光路を決定し、前記画像表示手段に表示される画像の切り替え周期に対応して画像の光路を切り替える画像光路決定手段とを備え、前記画像光路決定手段は、左右眼に左右画像がそれぞれ正しく入射するように画像観察不能領域を設けるために光透過禁止部分を周期的に配置することを特徴とする立体画像表示装置。

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