JP4002218B2 - Stereoscopic image display device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体画像表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
多数の視差画像を表示するインテグラルフォトグラフィー法(以下、IP法ともいう)ある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立体像として再生する方法が知られている。人は、図24に示すように左右の眼32、33から物体を見たときに、近い距離A点にある物体34をみた時の左右の眼と成す角度をα、遠い距離B点にある物体35をみた時の左右の眼となす角度をβとすると、角度αとβはその物体と観察者の位置関係に応じて異なる。この(α―β)を両眼視差と呼び、人はこの両眼視差に敏感で立体視をすることができる。
【0003】
近年、眼鏡無しの立体ディスプレイの開発が進んでいる。これらの多くは通常の2次元(以下、2Dともいう)ディスプレイが用いられる。このディスプレイは先に述べた両眼視差を利用するものであって、上記ディスプレイの前面、あるいは背面に何らかの光線制御素子を置き、観察者から見た時、あたかもディスプレイから前後数cmの距離に置かれた物体から光線が出ているようにディスプレイからの光線の角度を上記光線制御素子によって制御する。これにより立体視が可能となる。この背景には、ディスプレイの高精細化により、ディスプレイの光線を数種類の角度(視差と呼ぶ)に振り分けても、ある程度高精細の画像を得ることができるようになったためである。
【0004】
眼鏡無しの立体ディスプレイのうち、水平方向に関して視差を与える場合のディスプレイの構成概略図について図25に示す。図25は、ディスプレイ面1と観測者4と光線制御素子8の関係を上側からみた概略図である。図25において、ある観察方向からみた場合の画像情報を2次元画像表示装置のディスプレイ面1に多数表示しておき、表示面の前面に設けた光線制御素子8(例えば、スリット、ピンホール、マイクロレンズ、あるいはレンチキュラーレンズなどであって、例えば開口部2と遮断部3とを有するアレイ板)越しに画像を観測者4が観測することで,観測方向に応じた立体画像が表示されるものである。図25において、αの位置にいる観察者は視差番号p3の画像をみることができ、βの位置にいる観察者は視差番号p2の画像をみることができ、同様に、γの位置にいる観察者は視差番号p1の画像をみることができる。IP法は多視差表示が可能なため,観察者が動いても、その位置に応じた画像をみることができるという運動視差の表示が可能であるため、自然な立体視が可能である。また、立体像を再生する光線が、実物体が実際に配置された場合と同様の経路をたどるため、視野闘争の問題も生じない点で優れている。
【0005】
ところで、視差画像を作成し、開口部越しに各画素情報として視差画像を表示する方法には、大別して立体像を再生する光線を画素側から発生させることによって画像マッピングを行う方法と、観測者の視点位置から画素に向けて光線を逆にたどることにより画像マッピングを行う方法の2種類がある。ここでは、前者の方法を用いて画像マッピングを行う方法をIP法とし、後者の方法を多視差のステレオスコープ、パララックスバリア法と呼んで区別する。
【0006】
IP法の光線束は観測者の目の位置に向かっているのではなく、観測者の方向に向かって視差数分、すべての開口部からほぼ等間隔に射出している。そのため、観測者が動いた時の運動視差に優れる分、本来の2次元表示のディスプレイに比べてある角度における構成画素数が少なく、観察者の目の位置に向かって光線を射出している立体ディスプレイに比べて解像度が落ちる。そこで、解像度を上げるための工夫が試みられている。
【0007】
例えば、振動や回転機構を用いること無く、高速に光路の切換えによる画素シフトを行い、見かけ上の画素を増倍するための画像表示装置を知られている(例えば、特許文献1参照)。この装置においては、ポリマー分散液晶構造を有するブラッグ回折素子を用いた光路偏向手段をスクリーンの直前に配置することによって、画像光を画素の配列方向に任意の距離だけシフトする。シフト量は画素ピッチの整数分の1とする。画素の配列方向に対して2倍の画像増倍を行う場合は画素ピッチの1/2にする。シフト量に応じて液晶パネルを駆動する画像信号をシフト量分だけ補正することで、見かけ上高精細な画像の表示を可能としている。上記装置においては、光路偏向手段が必要なため、装置として大掛かりになるという問題点がある。
【0008】
一方、ディスプレイを曲げるか、あるいは観測者を取り囲むようにして、3D(3次元)ディスプレイの視野角を広げようとする例もみられる。例えば、円筒状の表示面に10°以上の視差を有する画像データから形成される画像シートが取り付けられた装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。これにより広い領域で、観察者に対して可変画像を提供する。上記装置は視域を拡大するために作成されたディスプレイで、解像度を向上させる手段については講じていない。
【0009】
また、液晶ディスプレイなどの表示装置は正面からは良く見えるが、斜めから見ると液晶分子の立ち上がりの方向性などで、視野角が狭くなる場合があるので、視野角を向上させるための工夫もなされている。例えば、コントラスト、動作速度などは従来と同様に良好なままで、視角特性も良好なVA方式の液晶表示装置が知られている(例えば、特許文献3参照)。この液晶表示装置は、基板表面に垂直配向処理を施した第1及び第2の基板間に誘電率異方性が負の液晶を挟持し、液晶の配向が、電圧無印加時にはほぼ垂直に、所定の電圧を印加した時にはほぼ水平となり、所定の電圧より小さい電圧を印加した時には斜めになるように構成され、第1及び第2の基板に液晶の配向方向を規制する第1及び第2のドメイン規制手段を備え、第1及び第2のドメイン規制手段は所定のサイクルでジグザグに屈曲した複数の突起又は窪み又はスリットを所定のピッチで平行に配列された構成となっている。上記液晶表示装置は、液晶分子のチルト角を斜めにしているが、狭い範囲で液晶分子の立ち上がり方向を異なった方向に向けることにより視角特性を向上させるもので、解像度を向上するものではない。
【0010】
また、3次元ディスプレイ装置を、複数の視差像が同時に表示されているフラットパネルディスプレイと、同一形状のシリンドリカルレンズのアレイとで構成し、かつ該フラットパネルディスプレイの表面に装着されるレンチキュラーレンズとを備えて、上記フラットパネルディスプレイと上記レンチキュラーレンズが同一の曲率中心をもって、湾曲している3次元ディスプレイ装置が知られている(例えば、特許文献4参照)。この装置は、容易な構造でサイドローブ光の発生を抑えて、異常な立体像を見ることもなく正常な立体視を可能にしている。上記ディスプレイ装置は、光線制御素子による光の射出する方向が観測者に向かって集光していることが望ましい。
【0011】
特殊な眼鏡を着用することなく、両眼視差を用いた立体視を可能にすると同時に複数の観察者が映像を観察できるようにする表示装置が知られている(例えば、特許文献5参照)。この表示装置は、観測者に対して、水平方向の集光手段として合わせ鏡群を有する指向性反射スクリーンと立体画像投影手段とを組み合わせ、上記合わせ鏡群の挟角の少なくとも一部を非直角とした指向性反射スクリーンSを用いる。したがって、上記スクリーンは鏡面反射により、観察者の位置に応じてスクリーン上の画像を振り分けることにより、視域を広くするものであり、解像度向上については何ら処置を行っていない。
【0012】
IP法において、表示面から離れた位置に立体を再現するようにすると、開口部あるいはレンズを介して割り当てられた光線束が広がることにより、解像度が急激に低下するという問題点がある(例えば、非特許文献1参照)。
【0013】
【特許文献1】
特開2002−156617
【特許文献2】
特開平11−109287号公報
【特許文献3】
特開平11−16335号公報
【特許文献4】
特開平6−289320号公報
【特許文献5】
特開平9−189884号公報
【非特許文献1】
H. Hoshino, F. Okano, H. Isono and I. Yuyama "Analysis of resolution limitation of integral photography",J. Opt. Soc. Am, A15 (1998) 2059-2065.
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
IP法において、表示面から離れた位置に立体を再現するようにした場合に、解像度が急激に低下するという問題点を、以下に説明する。
【0015】
立体ディスプレイの解像度を表す尺度として、β(cycle per radian: cpr)を用いる。βは1radianあたり光線の明暗を何サイクル表示できるかという指標である。非特許文献1に示すように、IP法において、ディスプレイ近傍の立体像における解像度βnyqはナイキスト周波数と呼ばれ、観測者4から開口部2までの距離と、開口部2のピッチで決定される(図26参照)。開口部2のピッチをpe、観測者と開口部あるいはレンズまでの距離をLとすると、開口部2のピッチpeで制限される解像度βnyqは、
βnyq =L/(2pe ) (1)
となる。
【0016】
次に、図27に示すように、表示面から離れた位置、すなわち観測者4からz離れた位置に物体13を再現するようにすると、開口部2あるいはレンズを通して割り当てられた光線束が広がることにより、解像度が急激に低下する。図27において、βは開口部のピッチあるいはレンズピッチより決まる解像度であり、αはひとつの開口部、あるいはレンズから出る光線密度、すなわち、画素ピッチ、視差数から決まる解像度を示す。物体13をディスプレイ1から飛び出した領域(前面の領域)、あるいは奥行き領域(後面に位置する領域)に再現する場合、その像を再現するためにひとつのスリットから出ている光線群より計算される解像度の最大値をαimaxとおくと、観測点からみた物体の空間周波数βimax
βimax =αimax ×z/ |L−z| (2)
となる。
【0017】
また、スリット部で光線の回折が起こることによる画像の破綻を防ぐために、開口部2のMTF(modulation transfer function)が0となる最初の周波数をαとおくと、そのαを最大にする時の開口部の幅wopt、開口部での視域角度の最大値αimaxを決めることができる。スリット8と表示面1の距離をg、光線7の波長をλとすると、最適な開口部の幅wopt、最適なαimaxは特許文献1より、次のようになる。
αimax=(g/λ)1/2 (3)
opt=2(g×λ)1/2 (4)
とすると(2)式は、
βcopt =(g/λ)1/2i/|L−zi| (5)
となる。実際の解像度Βimaxは上記βnyqと、βimaxを比較した場合の低い方となるため、
Βimax=min(βimax, βnyq ) (6)
と表される。
【0018】
ここで、(1)式より開口部のピッチpeが小さくなるほど、すなわち表示面の精細度が高いほど立体像の解像度が増加することがわかる。しかし、表示面自体の画素ピッチを狭くすることは、プロセス変更などが生じ、容易に実現はできないという問題点がある。
【0019】
また、物体の像13が表示面1の近傍の場合はβnyqがβimaxより小さくなるため、支配的である。また、物体の像13が表示面1から離れるほど、(5)式のziが小さくなるため、βimax の解像度が支配的である。(5)式より、スリット8と表示面1の距離gを大きくすることにより、βimaxが大きくなることがわかる。
【0020】
図28に2次元平面ディスプレイ1と、開口部2を有する平面8あるいはレンズアレイを上側から見た概略図を示す。画面の左端からも、右端からも正常な視差が見える領域を視域5と呼ばれ、図28においては斜線で示す。図28の斜線で示す領域以外は、偽像と呼ばれ、スリット越しに本来意図した光線以外の表示面を見ることになる。図28においては、視距離を決めるとそれより表示面から遠ざかる領域はすべて正しい光線束が見えるようになる。
【0021】
視域を狭くする、すなわちスリット8と表示面1の距離gを大きくすることにより、βimaxを大きくし、解像度を増加させた場合のディスプレイ1の上側からみた光線束と視域(斜線部)の概略図を図29に示す。図29から分かるように、視域5を狭くすると、観測者4を基準にして画面から離れる方向に視域5が狭くなるという問題点が生じる。
【0022】
本発明は上記事情を考慮してなされたものであって、表示面から離れた位置に立体画像を再現しても解像度を低下させることなく、かつ観測者を基準にして画面から離れる方向に視域が狭くなるのを防止することができる立体画像表示装置を提供することを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の態様による立体画像表示装置は、観測者からみて凹面状または凸面状の表示面内に位置が定められた画素がマトリクス状に配置される表示部と、2次元パターンを前記表示部の前記表示面に表示する2次元パターン表示手段と、複数の開口部または複数のレンズを有し前記画素からの光線を制御する光線制御部とを備えていることを特徴とする。
【0024】
なお、前記表示部は、継ぎ目なく接続された少なくとも2枚の平面状の表示面を備えているように構成しても良い。
【0025】
なお、前記表示部の表示面が曲面形状であっても良い。
【0026】
なお、前記光線制御部の開口部またはレンズの中心から、表示面に下ろした垂線と表示面が交差する位置と視差画像の中心の位置が、表示面の傾き角度に応じてずれている方がよい。
【0027】
なお、前記光線制御部の開口部またはレンズの中心と視差画像群とのずれ量が前記表示部の端部と中央部とでは異なっていることが好ましい。
【0028】
なお、前記表示部の端部での前記視差画像群は、前記開口部の中心に対して前記表示部の端部方向にずれていることが好ましい。
【0029】
なお、前記表示部が液晶表示装置である場合に、前記表示部の前記表示面上の任意の点の接線と視距離面と平行な面と成す傾き角をθY、任意の開口部と視距離面の中心とを結んだ線と前記開口部と視距離面とを最短距離で結んだ線とが成す角度をθZとすると、液晶分子の最大チルト角θM
θM=θY−θZ
であるように構成されていることが好ましい。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0031】
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による立体画像表示装置の構成を図1に示す。図1は、本実施形態による立体画像表示装置を観測者からみた水平面で切断した水平断面図である。この実施形態による立体画像表示装置は、2枚の平面状の表示面が観測者4に向かって凹面状に形成された表示部(ディスプレイ)1と、表示部1の前面に置かれた光線制御部8と、2次元パターンを上記表示部に表示する2次元パターン表示手段(図示せず)を備えている。表示部1は、2枚の平面状の表示面が継ぎ目なく接続された構成となっている。各平面状の表示面には画素がマトリクス状に配置されている。そして、2枚の表示面は、観測者4からみた鉛直面100に対してそれぞれ角度θYだけ傾いている。光線制御部8は表示部1と同様に、2枚の平面状の光線制御素子が観測者4に向かって凹面状に形成され、これらの2枚の平面状の光線制御素子は、観測者4からみた鉛直面100に対してそれぞれ角度θYだけ傾いている。各光線制御素子は、複数の開口部を有するか、または複数のレンズがアレイ状に形成されている。なお、本実施形態においては、光線制御部8は観測者4から観てディスプレイ1の前面に設けられているが背面に設けても良い。
【0032】
表示部1の2枚の表示面の接合部から上記鉛直面100に対して直角方向に延びた線19上の点Pに観測者4が位置していると仮定する。すなわち、この位置Pから光線制御部8の中心までの距離Lが視距離となる。なお、線19は、観測者4がディスプレイ1を左右対称に眺められる位置に立った場合にこの位置からディスプレイ1の中心に向かって引いた線となる。
【0033】
光線制御部8の中心の開口部における視域角度を2θとすると、光線制御部8の両端8a、8bでの開口部における視域角度も2θとなる。そして、光線制御部8の両端8a、8bの開口部と点Pとを結ぶそれぞれの線から外側に角度θをなす光線7a、7bが、鉛直面100に平行な、観測者4が位置している視距離面102と交わる点間の距離11が視距離Lでの偽像の見られない領域となる。
【0034】
次に、本実施形態の解像度向上の原理について説明する。まず、表示面が傾斜していることにより、画素の水平方向の大きさが見かけ上小さくなっていることによる解像度向上の原理について、図3(a)、(b)を参照して説明する。
【0035】
図2(a)、(b)は、ディスプレイ1と、開口部2および遮光部3を有する光線制御部8とを上部からみた図である。図2(a)に示すように画素14を正面から開口部越しにみた場合と、図2(b)に示すように正面から角度θYだけ傾けて斜めから開口部越しにみた場合の画素14のサイズを比較する。一般に、IP法による立体画像作成において、開口部、あるいはレンズのピッチは画素ピッチ×視差数となる。そこで、斜めからみることにより、見かけ上のレンズピッチが小さくなるので(1)式での開口部2のピッチpeを小さくすることが可能となり、βnyqが増大する。次に、画素ピッチが見かけ上小さくなることにより、ひとつの開口部からの光線密度が高くなるので、(5)式のβimaxが高くなる。実際の画素のサイズをwpとすると、斜めからみた見かけの画素の画素ピッチ、はwp×cosθYとなり、画素14を正面から開口部越しにみた場合に較べて小さくなる。
【0036】
次に、光線制御部8の開口部2を通して配置する画素配列について、述べる。先ず図3に、ディスプレイ1と、開口部2を有する光線制御部8を備えた本実施形態による立体画像表示装置を上方から見た場合の、各開口部から射出される視差画像群21の光線軌跡を示す。図3において、8視差の場合を例にとり、説明する。それぞれの開口部2から射出される視差画像群21を構成する視差画像を、ディスプレイ1の中央では左右対称に割り振る。すなわち、視差画像の視差番号が−4,−3,−2,−1,1,2,3,4となるように割り振る。なお、各視差番号には一つの視差画像が対応している。この時、視差とは、観測者の位置によらず、ディスプレイ1から視距離方向に射出している絶対的な角度によって決まる値であり、今回はディスプレイ1の中央部から視距離方向に最短距離で引いた線19を基準とし、そこから何度ずれているかという角度で決める。例えば、視差番号kの視差画像の視差(視差角度)αは、視域角度を2θ、視差数をn(図3では8)とすると、
α=θ・(2k−1)/n (k>0)
α=θ・(2k+1)/n (k<0)
と表される。また、視差数nが奇数の場合は、
α=2θ・k/n
と表される。なお、視差角αは、時計回転方向を正としてある。
【0037】
また、視差数nは自由に決めることができるが、表示面での精細度や、解像度がある閾値より下回らない飛び出し量、奥行き量の範囲などの仕様で決定するとよい。ディスプレイ1の右端17では、観測者4の位置がディスプレイ1の中央にいる場合が多いことを想定し、ディスプレイ1の右端の開口部から射出される光線がディスプレイ1の中央を向くようにするため、視差番号が1,2,3,4,5,6,7,8の視差画像群を射出するとよい。またディスプレイ1の左端18では、右端17とは対称に、視差番号−8,−7,−6,−5,−4,−3,−2,−1の視差画像を射出するとよい。
【0038】
次に、観測者がディスプレイの中央部付近をみた場合の視差画像とスリット開口部の関係について図4を参照して説明する。図4は、視差画像群の中央部でのディスプレイ1と開口部2と表示画像の光線を上方から見た図である。ここで、ディスプレイ1と光線制御部8との最短間隔をd、ディスプレイ1の傾き角度をθYとすると、視差画像群21の中心から観測者4の位置する点PAに向かって光線が最短距離で射出されるようにするためには、視差画像群21の中心を、開口部2の直下の、ディスプレイ1の位置PDから
t=d×tan(θY) (7)
だけディスプレイ1の中央側に寄せる必要がある。開口部2の幅woptは(4)式のように決めるとよいが、通常画素サイズと同一サイズ程度であり、視差画素の中心の光線が最も効果的に射出されるように決定する。なお、視距離面102における視差画像群の広がり23は図4に示すようになる。
【0039】
次に、ディスプレイ1の左端での視差画像と開口部との関係を上方からみた図を図5に示す。図3に示したようにディスプレイ1の左端18では視差番号を−8から−1と選択することにより、開口部から射出される光線7を中央に寄せ、これにより正常な視差画像を見ることが可能な領域が広くなる。そこで、ディスプレイ1の左端での開口部越しでみる視差画像群21の中心と、開口部2を結んだ光線の延長線が、観測者4が位置する点PAに最短距離で到達するようにする。開口部2のディスプレイ1上への投影点PDとディスプレイでの視差画像群21の中心とのずれ量tは、ディスプレイ1と光線制御部8との距離をd、ディスプレイ1の傾き角をθY、観測者4がディスプレイ1を左右対称に眺められる位置に立った場合にこの位置からディスプレイ1の中心に向かって引いた線19と、観測者4が現在いる位置PAから開口部2に向かう直線とのなす角をθZとすると、
t=d×tan(θY−θ ) (8)
となる。このように、ディスプレイ1の中央部でのずれ量は(7)式で表され、端部でのずれ量は(8)式で表され、ずれ量が異なる。このため、ディスプレイ1の中央部と端部で開口部ピッチを異ならせる必要があり、開口部を持つ光線制御素子、あるいはレンズアレイの汎用性が無くなる。
【0040】
そこで、本実施形態においては、表示する視差画像の位置を変えることにより、開口部ピッチが一定であっても、正常な位置に視差画像が射出されるようにすることができる。すなわち、ディスプレイ端部の視差画像群21の中心部と開口部とのずれ量tに関して、中央部と同様のずれ量になる位置に視差画像群をディスプレイ端方向にずらすことにより、ディスプレイ中央もディスプレイ端も、同じ開口部ピッチ、あるいはレンズピッチになるようにする。図6にディスプレイ1の中央部と端部のそれぞれの開口部と、視差画像群との位置関係を示す。ディスプレイ1の中央部と端部での開口部の視差画像群の中心とのずれ量を場所によって変えた場合、すなわちずれ量を(8)式によって規定される値とした場合を図6(a)に示し、ディスプレイ1の中央部と端部のずれ量を場所によって変えない場合、すなわちずれ量を(7)式によって規定される値とした場合を図6(b)に示す。なお、図6(a)においては、開口部2のピッチは光線制御部8の中央部と端部で変えてあるが、図6(b)においては、光線制御部8の中央部と端部での開口部2のピッチは一定である。図6(b)における破線60は、図6(a)に示す光線制御部8の端部の開口部2から射出される最外側の光線60に対応する線である。したがって、図6(b)に示すように、ディスプレイ端では、開口部に対して視差画像をディスプレイ端に寄って作成することにより、開口部ピッチをディスプレイ中央と端部で一定にすることができる。これにより、傾きを持たない通常のディスプレイでの開口部を持つ平面、あるいはレンズアレイと同様の光線制御素子を用いても、表示画像とのずれ量を(7)式のようにすることにより、解像度が高く、臨場感の高い立体画像表示装置を得ることができる。
【0041】
図7に、図6の視差画像群のずれを考慮した時のディスプレイ1から射出される角度に応じて、ディスプレイ上での視差番号の割り振り方について示す。視距離でかつ中央に位置する観測者4とディスプレイ1の中心とを結んだ線19と、光線制御部8の任意の開口部と観測者4を結んだ線62との成す角度をθZとし、1視差の角度をθNとすると
θN=視域角度/視差数=2θ/視差数
となる。θZが1視差画像の角度θNより大きくなった場合、視差番号を一つずつ、ずらすとよい。視差画像をずらすとずらした視差画像の境界でどの視差番号にも属さないピクセルが生じるが、その場合、何らかの視差画像を置くことにより、境界での画像の移り変わりを認識しにくくなる。
【0042】
例えば、8視差で立体像を作成する場合について実施例を示す。図7中、8視差の場合について、A、B、C、D領域でのθZとθNの関係が以下であるとする。左右対称として、左半分のみ説明する。
A; 0≦|θZ|<θN/2
B; θN /2≦|θZ|<3θN /2
C; 3θN /2≦|θZ|<5θN /2
D; 5θN /2≦|θZ|<7θN /2
E; 7θN /2≦|θZ
とすると、
A領域では −4視差から4視差まで
B領域では −5視差から3視差まで
C領域では −6視差から2視差まで
D領域では −7視差から1視差まで
E領域では −8視差から−1視差まで
のように、振り分けるとよい。
【0043】
以上、傾斜したディスプレイ1と、平面に線状の開口部2を有する光線制御部8と備えた立体画像表示装置の場合について述べたが、光線制御部として、レンズアレイを用い、レンズアレイの中心部を平面の開口部、レンズ幅を開口部ピッチに置き換えても、輝度が落ちない良好な立体ディスプレイを得ることができる。
【0044】
また、傾斜したディスプレイは2個の液晶モジュールをそれぞれ角度θYだけ傾けることにより、既存のディスプレイで得られ、スリットの設計も既存のものをずらすだけで得られるため、簡単である。
【0045】
本実施形態では、継ぎ目のない傾斜したディスプレイについて述べた。しかし、通常の平面のディスプレイを2枚組み合わせた状態では、ディスプレイの額縁の影響で光線を射出しない領域ができ、画像が不連続となる。そこで、図8(a)に示すように額縁部において、表面を疎化した鏡40を置き、鏡40に近いディスプレイ1の光線制御に寄与しない部分に背景、あるいは視差をつけなくてもよい画像を表示し、それをすべての方向に射出することにより、不連続部分での画像の欠落が目立たなくなる。図8(b)は、ディスプレイ1と鏡40との接合部41の拡大図である。
【0046】
また、本実施形態による立体画像表示装置の第1の変形例として、図9に示すように、表示部1として、本実施形態に用いられた2枚の平面状の表示面からなる表示部を複数個組み合わせても良い。この場合、図9に示すように光線制御部8も同じ形状となる。
【0047】
また、継ぎ目を目立たなくする方法として、凹曲面ディスプレイを用いることが考えられる。凹曲面ディスプレイを用いた例を本実施形態の第2の変形例として図10を参照して説明する。図10に示すように、ディスプレイ1を凹曲面にすることにより、継ぎ目がない高解像度のディスプレイを得ることができる。この場合、凹曲面ディスプレイ1と光線制御部8は同じ曲率半径Rを有することになる。凹曲面ディスプレイを用いた場合、ディスプレイ1の中心ではディスプレイが傾斜していないため、通常の平面ディスプレイと同じ解像度であるが、ディスプレイ1の端の場合、傾斜があるため、見かけの画素ピッチが小さくなり、解像度が増加する。ディスプレイの大型化がされた場合、画像の端が観測者から遠くなることが多い。この場合は、凹曲面ディスプレイを用いれば、ディスプレイ端での解像度の増加を行うことができる。
【0048】
また、凹曲面ディスプレイ、あるいは傾斜ディスプレイにすることにより、画像端が前に出てくることにより、従来の平面ディスプレイに比べて、飛び出し量の大きな立体画像の表示ができる。
【0049】
一般に、解像度は開口部のある平面、あるいはレンズアレイの位置と像との距離で決まる。そこで、図11を参照して平面ディスプレイと凹曲面ディスプレイでの飛び出し量方向での解像度限界の概念を説明する。図11(a)は凹面ディスプレイを用いた場合、図11(b)は、平面ディスプレイを用いた場合の水平断面図である。図11(a)において、符号64は、凹曲面ディスプレイ1と同じ曲率を有する曲面であり、符号42は、解像度が一定であると計算される線である。
【0050】
視距離面102と画像端との最短距離をLA、視距離面102とディスプレイ中心との最短距離をLBとすると、同じ解像度であっても、凹曲面ディスプレイを用いた場合は、平均でLB―LAだけ解像度の限界から決まる飛び出し量を大きくできる。しかし、奥行き量に関しては、平均でLB―LAだけ解像度から決まる奥行き量から小さくなる。画像端が前に出ている効果とは独立に、先に述べたディスプレイが斜めになっていることによる解像度増加(図11中の符号26に相当する量)は生じており、ディスプレイ端ではより、解像度の大きな表示をすることができる。
【0051】
図10に示す凹曲面ディスプレイを用いた場合において、ディスプレイ1の端と視距離面102との距離LA=1.11m、ディスプレイ中心と視距離面102との距離LB=1.15m、視域角2θ=18°、凹曲面ディスプレイ1の曲率半径R=0.45m、 光線制御部8とディスプレイ1の間のギャップをg=2.5mmとし、凹曲面ディスプレイ1を上部からみたときの表示領域の曲率中心に対して張る角2θMの半分をθM=24.5°とした場合の解像度を計算する。視距離面の中央からみた、ディスプレイ1の端と中央における、それぞれ(1)式によって計算されるナイキスト周波数βnyqによって決まる解像度と、(5)式によって計算される、開口部を最適化した場合の立体画像の解像度βcoptの計算結果を図12に示す。なお、図12の横軸zは、図10に示すように、視距離面102から立体表示画像までの距離を示す。
【0052】
図12より、ディスプレイ1を凹曲面状にしたことにより、例えば、600cprを実現できる領域はディスプレイ1の中央ではz=1.05m、ディスプレイ1の端からの光線ではz=1mまで観測者に近づけることができる。これらは、言い直すと、ディスプレイ1の中央における開口部からの表示限界までの距離は10cm(=1.15m−1.05m)である。ディスプレイ1の端における開口部から表示限界までの距離は11cm(=1.11m−1m)となる。この1cmがディスプレイ1を傾斜させたことによる見かけ上の画素サイズ縮小による解像度の向上分である。ディスプレイ1の傾斜をより傾けることにより、解像度の向上はより増加する。また、この5cmの表示限界の向上は、画素サイズを縮小するプロセス変更により実現するのはかなり困難である。このため、凹曲面ディスプレイによる解像度向上は有効である。
【0053】
次に、図13に、ディスプレイの左右対称にみられる視距離の中心にいる観測者からディスプレイ端をみる時、従来の平面ディスプレイを用いた場合と、凹曲面ディスプレイを用いた本実施形態の場合の解像度を示す。なお、本実施形態の曲面ディスプレイ1のサイズは、図12の計算で用いた曲面ディスプレイのサイズである。また、図12の横軸zは、図10に示すように、視距離面102から画像までの距離を示す。
【0054】
図13から、画像がディスプレイ1と観測者との間、すなわちディスプレイ1の飛び出し領域に形成される場合(z≦1.15)は、本実施形態の方が従来の場合よりも解像度が高くなっている。
【0055】
先に述べたように、凹曲面ディスプレイではディスプレイ端の方が、ディスプレイ中央より見かけ上の画素ピッチの縮小、および画面が前方に出ていることにより解像度が向上するため、解像度がある範囲を持つことになる。図13より、凹曲面ディスプレイを用いた本実施形態の方が平面ディスプレイを用いた従来の場合より、飛び出し量に関しては、解像度が向上することがわかる。
【0056】
立体ディスプレイ設計する上で、平面ディスプレイを凹曲面ディスプレイにした場合の変更点を述べる。まず、ディスプレイを曲面にする必要がある。
【0057】
曲面ディスプレイ上の光線制御素子であるスリットやレンズアレイの設計については、凹曲面ディスプレイと光線制御素子の間の距離を一定にする、あるいは場所により変更しても設計どおりにし、曲面ディスプレイとほぼ同様の曲面をもつ必要がある。そうしないと表示面の画素が適正な方向に射出されないため、クロストーク、2重像などの画像劣化が生じる。スリット等の開口部、あるいはレンズアレイの中心のピッチについては、傾斜ディスプレイと異なり、場所ごとに傾き角度が異なる。そこで、ディスプレイと光線制御素子と間隔をd、図10中に示すように凹曲面ディスプレイ1の中央部からの凹曲面ディスプレイ1上の任意の位置Pxまでの距離をxとすると、観測者4がいる位置PAからみた場合の、ディスプレイ1の中心から上記位置Pxまでの弧が張る角度θZをx/L、ディスプレイ1の曲率中心からみた場合の上記弧が張る角度θxをx/Rと表すことができるので、上記位置Pxにおける画像中心の開口部のずれ量は(8)式を変形して、
t=d×tan(θx−θz)
=d×tan(x/R−x/L) (9)
となる。さらに、傾斜ディスプレイのところで述べたと同様に、ディスプレイの端から射出される視差を中央に寄せることにより、本来通るべき光線制御素子を通らなかった偽像をみないようにする視域と呼ばれる領域を広くするために、視差番号を画面端に行くに従い、徐々に変更していく。また、凹曲面ディスプレイの曲率角や曲率半径を変えても開口部ピッチが変わらないようにできれば望ましい。
【0058】
傾斜ディスプレイの場合、図7に示すように、ディスプレイが端にいくにつれて、視差番号を内側に向くように変化させていくことを述べた。この場合、ディスプレイの傾き角度がθYと一定のため、視距離面の中央部に視差番号の中心の光線が開口部から射出されるようにするための角度θZは視差表示位置zのみの関数となる。しかし、(7)式に示すように、凹曲面ディスプレイの場合、傾き角度であるθYも表示位置xの関数となっている。そのため、開口部ピッチを一定にすると、次に述べる条件ではひとつの視差番号に隣り合う2種類の開口部から射出されるように設計されるため、クロストークが生じる。その場合は、開口部ピッチをxの関数として、場所により変化させるか、あらかじめ、射出する視差番号が変化する境界領域では、クロストークが生じる視差番号を削除するか、どちらか支配的な視差番号を選択するなどの対処が必要である。
【0059】
例えば、図14を参照してクロストークが起きないための条件について説明する。図14は8視差の場合を示している。ディスプレイ1上の視差番号と開口部を通って広がるそれぞれの視差番号の光線について示す。まず、−4視差から4視差まで表示する領域から−5視差から3視差まで表示する領域の境界39において、視差番号の割り当て方法と曲率角と視域角の関係について説明する。
【0060】
曲率角はディスプレイ1上の中央からの距離xで決まり、x/Rと表され、xの関数である。Nを視差数としたときの1視差画像あたりの角度をθNとし、凹曲面ディスプレイ1の曲率角をθMとすると、図7に示すように視差番号を振り分けるとすると、境界は、図15に示すようになる。
【0061】
上記の境界で、視差番号の切り替えを行う際に、同じピクセルに隣接開口部どうしの視差番号が重複してマッピングされない条件として、
θx−θZ>0
すなわち、図15より、
θN/2−θM/視差数>0 (10)
である。上記の条件を満たす時にはクロストークのない視差番号の割り当てができ、例えば、視差数が多いほど上記の条件を満たすことが容易になる。また、平面ディスプレイや傾斜ディスプレイの場合、視差番号の割り当てを変更した境界では、どちらの視差にも属さない画素が生じるが、凹曲面ディスプレイの場合、そのような画素が生じないようにすることができる。
【0062】
また、光線制御素子とディスプレイ1の位置合わせも重要である。光線制御素子とディスプレイ1を一体に作製すれば位置合わせは容易であるが、後で貼り付ける場合は位置合わせ用の画像を容易するとよい。光線制御素子の位置はディスプレイ1の背後でも前面でもよい。また、プロジェクタ方式のように曲面のスクリーンに投影してもよい。
【0063】
曲面ディスプレイの形状であるが、図10では曲率半径、曲率角を持つ円弧の一部として形状を述べたが、図16に示すように楕円の一部を利用したディスプレイ1を用いてもよい。傾き角度の変化度合いが少ない。図16において、楕円の二つの焦点をF、F’とすると楕円の軌跡Pは
FP+F’P=一定
となる。そこで、楕円の焦点F、F’を結んだ線を最適視距離とし、ふたつの焦点を視差画像のそれぞれの端部とすると、ディスプレイ1の中心の両端の視差画像、すなわち8視差の場合、−4視差と4視差の光線の距離の和と、ディスプレイ端部の両端の視差画像、すなわち−8視差と−1視差の光線の距離の和は同一となる。このようにすると、視距離での中央と端部の光線の強度が平均化するため、良い。
【0064】
図17に、1開口部あたりの光線密度による決まる解像度αimaxにおいて、光線ディスプレイ1と光線制御素子の間の距離であるギャップdと、画素サイズとの解像度依存性を示す。図17においてPpは画素サイズを示すが、画素サイズが小さくなった場合、開口部のピッチpeが小さくなるので、光線制御素子近傍の解像度は向上する。
【0065】
ここで、図13より、ギャップdが大きくなると解像度が向上することがわかるが、ギャップdが大きくなると視域角が狭くなるという問題点がある。凹曲面ディスプレイの場合、もともと見える範囲が小さくなっているので、視域角2θが小さくなっても、図18に示すように、視域範囲5が狭くなることが自然である。そこで、視域角を狭くして、解像度を向上させることが凹曲面ディスプレイでは可能となる。
【0066】
以上より、解像度が上がる主な要因として
1)ディスプレイ端が前方に出ていることによる効果
2)ディスプレイが傾斜していることにより、画素の水平方向の大きさが小さくなっている効果
3)ディスプレイの画角が小さくなったことにより、ディスプレイの端の光線束が観測者の画面を望む角度と同一サイズに割り当てられるようになり、ディスプレイから離れる方向の視域領域が増加した効果が上げられる。
【0067】
図19に示すように、ディスプレイ1がLCD(Liquid Crystal Display)の場合、表示面を真正面に見る方向に液晶分子36の立ち上がり角度θmが最大になるように設計されている。例えば、ノーマリホワイトの場合、ディスプレイ1を正面から見た場合、最も暗くなるように設計されている。なお、図19において、符号15は画素を示し、符号37は液晶層を示す。
【0068】
このため、本実施形態の場合、ディスプレイ1が傾斜していることを前提としているので、その傾斜角度θYで、コントラストが最大になるように設計すると、より良い画質となる。そこで、液晶分子の立ち上がり角度であるチルト角θmは、傾斜ディスプレイおよび凹曲面ディスプレイの傾き角度をθYとし、視差画像群の中央の視差画像と観測者とディスプレイ1を正面にみた時との角度をθZとすると、図19より、
θm=θY−θZ
であることが望ましい。
【0069】
また、液晶層37にかける電圧を最大値ではなく低くすることによっても、液晶分子36の立ち上がり角度を斜めにすることができ、凹曲面ディスプレイ、あるいは傾斜ディスプレイの観測者からみた場合のコントラストを最大にするように設計できる。
【0070】
以上説明したように、本実施形態によれば、ディスプレイを凹曲面にするか、観測者の方を向くように複数の傾斜ディスプレイを並べることにより、水平方向の画素サイズを変更しなくても、見かけ上の水平方向の画素サイズを小さくすることができ、しかも、図18に示すように、ディスプレイから離れる方向での視域領域を増加させることができる。
【0071】
図20に本実施形態の第3の変形例の構成を示す。図20に示すように、ディスプレイ1および光線制御部8が観測者4からみて複数の平面状の表示面が多角形の一部を形成するように形成され、それら表示面郡が継ぎ目なく接続されているように構成された場合においても解像度増加の効果がみられる。
【0072】
(第2実施形態)
次に、図21に本発明の第2実施形態による立体画像表示装置の構成を示す。この実施形態は、第1実施形態の立体画像表示装置において、ディスプレイ1および光線制御部8が観測者4からみて凸曲面状に形成された構成となっている。このため、中央部の方が端に較べて位置が前にあるので、中央部の解像度が上がる。端に関しては、位置が後ろにあるので、前方へ立体像を表示した場合、端の開口部あるいはレンズアレイを通した画像の解像度が低下する。しかし、端に表示したものは、観測者4が画像を斜め方向から観るため、前述した効果により、解像度が上がる。そのため、立体表示が正常に見える解像度の限界の境界42は、図11に示す境界42に比べて、画面全体で同位置に設定することが可能となり、立体表示画像も作りやすいというメリットがある。
【0073】
(第3実施形態)
図22に本発明の第3実施形態による立体画像表示装置3の構成を示す。この実施形態は、第1実施形態による立体画像表示装置において、ディスプレイ1および光線制御部8が観測者4からみて凸面状に複数枚(この実施形態では2枚)の平面状の表示面が多角形の一部を形成するように形成されている。そして、それら表示面群が継ぎ目なく接続されている表示面を有する場合においても解像度増加の効果がみられる。また、図21に示す第2実施形態のように、中央部での解像度を重視したい場合に有効である。
【0074】
(第4実施形態)
図23に、本発明の立体画像表示装置に用いられる曲面ディスプレイ1の断面図を示し、作成方法を第4実施形態として簡単に述べる。例えば、従来の液晶表示装置などは、厚いガラス基板で液晶層をはさむため、曲面上に曲げることはできない。
【0075】
そこで、ガラス基板43上にTFT(Thin Film Transistor)45を通常のプロセスで形成した後、ガラス基板を適切な研磨材で薄くし、その後、支持基板44であるPES基板、あるいはプラスチック基板を接着させ、柔軟性を持たせる構造をとることができる。曲げることによる液晶層の厚みの変化がTN液晶の場合、液晶の透過率を決めるための電圧値に影響を大きく及ぼすので、厚みは均一にするべきである。そこで、スペーサ51の挿入により、液晶層52の厚みをいたるところで一定にする。また、カラーフィルタを、対向電極47を有する対向基板48に塗布すると曲げた時の位置ずれなどが生じるので、カラーフィルタ46はTFT側の基板43上に形成するとよい。液晶層52としては、開口部あるいはレンズアレイ50からの射出方向を観測者に向けるため、斜め方向が最大の明るさになる方が良い場合がある。そこで、液晶のチルト角を観測者の方向にあらかじめ傾けて置くか、視野角の高い液晶材料を選択するとよい。次に、レンズアレイ50、または開口部を持つ光線制御部とディスプレイの間のギャップは一定に保つことが、光線制御上必要であるため、透明で厚さが均一である程度の曲げが可能なプラスチック基板を用いるか、フィルム上のプラスチック基板(49)、あるいは薄くしたアクリル基板をある一定のスペーサを介して置くとよい。
【0076】
以上説明したように、本実施形態によれば、画面を視点から見て凹面、あるいは凸面に曲げるかあるいは観測者からみて傾斜して複数のディスプレイを配置することにより、画素配列を斜めから観測することにより、見かけ上の画素ピッチを向上させることができ、飛び出し領域の解像度を向上させることができる。また、同一視差数で視域角を狭くしても、上記構造により画面から離れる方向の視域を無限大まで広げることができる。スリット間隔、曲率半径、曲率角、多角形の傾き角度の最適化により、所望の飛び出し解像度の向上を設計できる。
【0077】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、表示面から離れた位置に立体画像を再現しても解像度を低下させることなく、かつ観測者を基準にして画面から離れる方向に視域が狭くなるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による立体画像表示装置の構成を示す水平断面図。
【図2】第1実施形態の効果を説明する図。
【図3】第1実施形態に係るディスプレイの場所別視差画像群を説明する図。
【図4】第1実施形態に係る傾斜ディスプレイ中央付近での開口部と表示画素の位置関係を示す水平断面図。
【図5】第1実施形態に係る傾斜ディスプレイ端での開口部と表示画素の位置関係を示す水平断面図。
【図6】第1実施形態に係る傾斜ディスプレイの中央部と画面端での開口部と視差画像の位置関係を示す概念図。
【図7】第1実施形態に係る傾斜ディスプレイの任意の位置での視差画像番号群を示す概念図。
【図8】第1実施形態に係る傾斜ディスプレイ間に継ぎ目がある場合の継ぎ目部分の構成を示す概念図。
【図9】第1実施形態の第1変形例による立体画像表示装置の構成を示す水平断面図。
【図10】第1実施形態の第2変形例による立体画像表示装置の構成を示す水平断面図。
【図11】第1実施形態による凹曲面ディスプレイと従来の平面ディスプレイの解像度しきい値に対する飛び出し限界を示す概略図。
【図12】本実施形態による凹曲面ディスプレイを用いたときの解像度の観測点からの距離依存性を示す図。
【図13】本実施形態と従来例の平均解像度の観測点からの距離依存性を示す図。
【図14】本実施形態に係る凹面ディスプレイの視差画像割り当て方法を説明する図。
【図15】本実施形態に係る凹面ディスプレイを用いたときのクロストークが起きないための視差番号の振り分けの境界を示す図。
【図16】凹曲面を楕円で作成した場合の光線軌跡図。
【図17】凹曲面ディスプレイと光線制御素子間のギャップ間隔と開口部あたりの光線密度からきまる解像度αの関係を示した図。
【図18】第1実施形態に係る凹曲面ディスプレイの視域を表す水平断面図。
【図19】ディスプレイが液晶表示装置である場合の液晶分子の好適なチルト角を説明する図。
【図20】第1実施形態による立体画像表示装置の第3の変形例の構成を示す水平断面図。
【図21】本発明の第2実施形態による立体画像表示装置の構成を示す水平断面図。
【図22】本発明の第3実施形態による立体画像表示装置の構成を示す水平断面図。
【図23】本発明に係る凹曲面ディスプレイを有する液晶表示装置の作成方法を説明する断面図。
【図24】両眼視差を説明する図。
【図25】従来の立体画像表示装置において、IP法により立体表示を行う原理を説明する水平断面図。
【図26】IP法のナイキスト周波数による解像度を説明する水平断面図。
【図27】IP法の空間像の視差画像群による解像度を説明する水平断面図。
【図28】従来の立体画像表示装置の視域を表す水平断面図。
【図29】従来の立体画像表示装置の問題点を説明する水平断面図。
【符号の説明】
1 2次元画像表示装置(ディスプレイ)
2 開口部
3 遮閉部
4 観測者
5 正常な画像が見える視域
7 光線
8 光線制御部
11 視距離での偽像の見られない領域
13 立体表示しようとする物体像
14 画素
17 ディスプレイの右端
18 ディスプレイの左端
19 2面のディスプレイを左右対称に眺められる位置に観測者が立った場合、そこからディスプレイ中心に向かって引いた線
21 ひとつの開口部から射出される視差画像群
23 視差距離での視差画像の広がり
25 視差画像群の端と開口部とのずれ量
100 視距離面に鉛直な面
102 視距離面
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a stereoscopic image display device.
[0002]
[Prior art]
There is known a method of recording a stereoscopic image by some method and reproducing it as a stereoscopic image, which is called an integral photography method (hereinafter also referred to as IP method) or a light ray reproduction method for displaying a large number of parallax images. As shown in FIG. 24, when a person sees an object from the left and right eyes 32 and 33, the angle formed with the left and right eyes when viewing the object 34 at the close distance A is α and the distant distance B is the point. If the angle between the left and right eyes when viewing the object 35 is β, the angles α and β vary depending on the positional relationship between the object and the observer. This (α-β) is called binocular parallax, and a person can be stereoscopically sensitive to this binocular parallax.
[0003]
In recent years, three-dimensional displays without glasses have been developed. Many of these use ordinary two-dimensional (hereinafter also referred to as 2D) displays. This display uses the binocular parallax described above, and when a light beam control element is placed on the front or back of the display and viewed from an observer, it is placed at a distance of several centimeters from the display. The light beam control element controls the angle of the light beam from the display so that the light beam is emitted from the object. This enables stereoscopic viewing. This is because, due to the high definition of the display, it has become possible to obtain a high-definition image to some extent even if the light rays of the display are distributed to several angles (referred to as parallax).
[0004]
FIG. 25 shows a schematic configuration diagram of a display in a case where parallax is given in the horizontal direction among stereoscopic displays without glasses. FIG. 25 is a schematic view of the relationship between the display surface 1, the observer 4, and the light beam control element 8 as viewed from above. In FIG. 25, a large number of image information viewed from a certain observation direction is displayed on the display surface 1 of the two-dimensional image display device, and light control elements 8 (for example, slits, pinholes, micros) provided on the front surface of the display surface are displayed. A three-dimensional image corresponding to the observation direction is displayed when the observer 4 observes the image through a lens or a lenticular lens, for example, an array plate having an opening 2 and a blocking part 3. is there. In FIG. 25, the observer at the position of α can see the image with the parallax number p3, and the observer at the position of β can see the image with the parallax number p2, and is similarly at the position of γ. The observer can see the image with the parallax number p1. Since the IP method can perform multi-parallax display, it can display motion parallax in which an image corresponding to the position can be viewed even when the observer moves, so that natural stereoscopic viewing is possible. In addition, since the light beam for reproducing the stereoscopic image follows the same path as when the actual object is actually arranged, it is excellent in that the problem of the visual field conflict does not occur.
[0005]
By the way, as a method of creating a parallax image and displaying the parallax image as pixel information through the opening, a method of performing image mapping by generating light rays for reproducing a stereoscopic image from the pixel side, and an observer There are two types of methods for performing image mapping by tracing light rays backward from the viewpoint position toward the pixel. Here, the method of performing image mapping using the former method is referred to as an IP method, and the latter method is referred to as a multi-parallax stereoscope and a parallax barrier method.
[0006]
The light beam of the IP method is not directed toward the observer's eyes, but is emitted from all openings at almost equal intervals toward the observer's direction by the number of parallaxes. For this reason, the amount of constituent pixels at a certain angle is smaller than that of the original two-dimensional display, and the light beam is emitted toward the position of the observer's eyes because of the excellent motion parallax when the observer moves. The resolution is lower than the display. Thus, attempts have been made to increase the resolution.
[0007]
For example, an image display device is known that performs pixel shift by switching optical paths at high speed without using a vibration or rotation mechanism to multiply the apparent pixels (see, for example, Patent Document 1). In this apparatus, an optical path deflecting means using a Bragg diffraction element having a polymer-dispersed liquid crystal structure is arranged immediately in front of the screen to shift the image light by an arbitrary distance in the pixel arrangement direction. The shift amount is set to 1 / integer of the pixel pitch. When performing image multiplication twice as much as the pixel arrangement direction, the pixel pitch is set to ½. By correcting the image signal for driving the liquid crystal panel according to the shift amount by the shift amount, an apparently high-definition image can be displayed. In the above apparatus, there is a problem that the optical path deflecting means is required, so that the apparatus becomes large.
[0008]
On the other hand, there are also examples in which the viewing angle of a 3D (three-dimensional) display is increased by bending the display or surrounding an observer. For example, an apparatus is known in which an image sheet formed from image data having a parallax of 10 ° or more is attached to a cylindrical display surface (see, for example, Patent Document 2). This provides a variable image to the observer over a wide area. The above device is a display created for enlarging the viewing zone, and does not take measures to improve the resolution.
[0009]
In addition, display devices such as liquid crystal displays look good from the front, but when viewed from an angle, the viewing angle may be narrowed due to the direction of rising of liquid crystal molecules, etc. ing. For example, a VA liquid crystal display device is known in which the contrast, operation speed, and the like remain good as in the past and the viewing angle characteristics are also good (see, for example, Patent Document 3). In this liquid crystal display device, a liquid crystal having negative dielectric anisotropy is sandwiched between first and second substrates subjected to vertical alignment treatment on the substrate surface, and the alignment of the liquid crystal is almost vertical when no voltage is applied. The first and second substrates are configured to be substantially horizontal when a predetermined voltage is applied, and to be inclined when a voltage smaller than the predetermined voltage is applied. The first and second substrates regulate the liquid crystal alignment direction on the first and second substrates. The first and second domain regulating means have a configuration in which a plurality of protrusions, depressions or slits bent zigzag in a predetermined cycle are arranged in parallel at a predetermined pitch. In the liquid crystal display device, the tilt angle of the liquid crystal molecules is inclined, but the viewing angle characteristics are improved by directing the rising direction of the liquid crystal molecules in different directions within a narrow range, and the resolution is not improved.
[0010]
Further, the three-dimensional display device includes a flat panel display on which a plurality of parallax images are simultaneously displayed and an array of cylindrical lenses having the same shape, and a lenticular lens mounted on the surface of the flat panel display. In addition, a three-dimensional display device is known in which the flat panel display and the lenticular lens are curved with the same center of curvature (see, for example, Patent Document 4). This apparatus has a simple structure, suppresses the generation of sidelobe light, and enables normal stereoscopic viewing without viewing an abnormal stereoscopic image. In the display device, it is desirable that the direction in which light is emitted by the light control element is focused toward the observer.
[0011]
There is known a display device that enables stereoscopic viewing using binocular parallax without wearing special glasses, and at the same time allows a plurality of viewers to observe an image (for example, see Patent Document 5). This display device combines a directional reflection screen having a group of mirrors as a horizontal condensing unit and a stereoscopic image projection unit with respect to an observer, and at least part of the included angle of the group of mirrors is non-perpendicular. The directional reflection screen S is used. Therefore, the above-mentioned screen broadens the viewing zone by distributing the image on the screen according to the position of the observer by specular reflection, and no measures are taken to improve the resolution.
[0012]
In the IP method, when a solid is reproduced at a position away from the display surface, there is a problem that the resolution rapidly decreases due to the spread of the light bundle assigned through the aperture or the lens (for example, Non-patent document 1).
[0013]
[Patent Document 1]
JP 2002-156617 A
[Patent Document 2]
JP-A-11-109287
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-16335
[Patent Document 4]
JP-A-6-289320
[Patent Document 5]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-189884
[Non-Patent Document 1]
H. Hoshino, F. Okano, H. Isono and I. Yuyama "Analysis of resolution limitation of integral photography", J. Opt. Soc. Am, A15 (1998) 2059-2065.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
In the IP method, when a solid is reproduced at a position distant from the display surface, a problem that the resolution rapidly decreases will be described below.
[0015]
Β (cycle per radian: cpr) is used as a scale representing the resolution of a stereoscopic display. β is an index of how many cycles of light and darkness can be displayed per radius. As shown in Non-Patent Document 1, in the IP method, the resolution β in the stereoscopic image near the displaynyqIs called the Nyquist frequency, and is determined by the distance from the observer 4 to the opening 2 and the pitch of the opening 2 (see FIG. 26). P is the pitch of openings 2e, Where L is the distance from the observer to the aperture or lens, the pitch p of the aperture 2eResolution β limited bynyqIs
βnyq = L / (2pe (1)
It becomes.
[0016]
Next, as shown in FIG. 27, the position away from the display surface, that is, from the observer 4 to ziIf the object 13 is reproduced at a distant position, the resolution is drastically lowered due to the spread of the light beam assigned through the opening 2 or the lens. In FIG. 27, β is the resolution determined by the pitch of the aperture or the lens pitch, and α indicates the resolution determined by the density of light rays emitted from one aperture or lens, that is, the pixel pitch and the number of parallaxes. When the object 13 is reproduced in a region (front region) protruding from the display 1 or a depth region (region located on the rear surface), it is calculated from a group of light rays emitted from one slit in order to reproduce the image. Α is the maximum resolutionimaxThe spatial frequency β of the object viewed from the observation pointimaxIs
βimax = Αimax Xzi/ | Lzi| (2)
It becomes.
[0017]
In addition, in order to prevent the image from being broken due to the diffraction of the light beam at the slit, the first frequency at which the MTF (modulation transfer function) of the opening 2 becomes 0 is expressed as α.cThe alphacWidth w of the opening when maximizingopt, The maximum value α of the viewing zone angle at the openingimaxCan be decided. When the distance between the slit 8 and the display surface 1 is g, and the wavelength of the light beam 7 is λ, the optimum opening width wopt, The optimal αimaxIs as follows from Patent Document 1.
αimax= (G / λ)1/2       (3)
wopt= 2 (g × λ)1/2      (4)
Then, equation (2) becomes
βcopt = (g / λ)1/2 zi/ | Lzi| (5)
It becomes. Actual resolutionimaxIs the above βnyqAnd βimaxBecause it becomes the lower one when comparing
Βimax= Min (βimax, βnyq (6)
It is expressed.
[0018]
Here, the pitch p of the opening from the equation (1)eIt can be seen that the resolution of the three-dimensional image increases as the value of becomes smaller, that is, as the definition of the display surface becomes higher. However, narrowing the pixel pitch of the display surface itself has a problem that it cannot be easily realized due to process changes and the like.
[0019]
If the object image 13 is in the vicinity of the display surface 1, βnyqIs βimaxIt is dominant because it becomes smaller. Further, as the object image 13 is further away from the display surface 1, z in equation (5) is obtained.iBecomes smaller, βimax Resolution is dominant. From equation (5), by increasing the distance g between the slit 8 and the display surface 1, βimaxIt turns out that becomes large.
[0020]
FIG. 28 shows a schematic view of the two-dimensional flat display 1 and the plane 8 or lens array having the opening 2 as viewed from above. A region where normal parallax can be seen from both the left end and the right end of the screen is referred to as a viewing zone 5 and is indicated by hatching in FIG. The area other than the shaded area in FIG. 28 is called a false image, and a display surface other than the light beam originally intended is seen through the slit. In FIG. 28, when the viewing distance is determined, the correct light flux can be seen in all regions farther away from the display surface.
[0021]
By narrowing the viewing zone, that is, by increasing the distance g between the slit 8 and the display surface 1, βimaxFIG. 29 shows a schematic diagram of the light flux and the viewing area (shaded portion) viewed from the upper side of the display 1 when the resolution is increased and the resolution is increased. As can be seen from FIG. 29, when the viewing area 5 is narrowed, there is a problem that the viewing area 5 narrows in a direction away from the screen with respect to the observer 4.
[0022]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and even when a three-dimensional image is reproduced at a position away from the display surface, the resolution is not lowered and the image is viewed in a direction away from the screen on the basis of the observer. An object of the present invention is to provide a stereoscopic image display device capable of preventing the area from becoming narrow.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
The stereoscopic image display apparatus according to the first aspect of the present invention includes a display unit in which pixels positioned in a concave or convex display surface viewed from the observer are arranged in a matrix, and a two-dimensional pattern. The display device includes a two-dimensional pattern display means for displaying on the display surface of the display unit, and a light beam control unit that has a plurality of apertures or a plurality of lenses and controls light beams from the pixels.
[0024]
In addition, you may comprise the said display part so that it may be provided with the at least 2 planar display surface connected seamlessly.
[0025]
The display surface of the display unit may be a curved surface.
[0026]
It should be noted that the position where the perpendicular line drawn down on the display surface intersects the display surface and the position of the center of the parallax image from the center of the opening or the lens of the light beam control unit is shifted according to the tilt angle of the display surface. Good.
[0027]
In addition, it is preferable that the amount of deviation between the opening of the light beam control unit or the center of the lens and the parallax image group differs between the end portion and the central portion of the display unit.
[0028]
In addition, it is preferable that the parallax image group at the end of the display unit is shifted in the direction of the end of the display unit with respect to the center of the opening.
[0029]
When the display unit is a liquid crystal display device, an inclination angle formed between a tangent of an arbitrary point on the display surface of the display unit and a plane parallel to the viewing distance plane is θ.Y, The angle formed by a line connecting an arbitrary opening and the center of the viewing distance plane and a line connecting the opening and the viewing distance plane with the shortest distance is θZThen, the maximum tilt angle θ of the liquid crystal moleculesMBut
θM= ΘY−θZ
It is preferable that it is comprised so that.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0031]
(First embodiment)
A configuration of a stereoscopic image display apparatus according to the first embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 1 is a horizontal sectional view of the stereoscopic image display apparatus according to the present embodiment cut along a horizontal plane as viewed from the observer. The stereoscopic image display apparatus according to this embodiment includes a display unit (display) 1 in which two planar display surfaces are formed in a concave shape toward the observer 4, and light control placed on the front surface of the display unit 1. A unit 8 and a two-dimensional pattern display means (not shown) for displaying the two-dimensional pattern on the display unit are provided. The display unit 1 has a configuration in which two flat display surfaces are seamlessly connected. Pixels are arranged in a matrix on each planar display surface. The two display surfaces are each at an angle θ with respect to the vertical surface 100 viewed from the observer 4.YJust leaning. Similar to the display unit 1, the light beam control unit 8 has two planar light beam control elements formed in a concave shape toward the observer 4, and these two planar light beam control elements are connected to the observer 4. Each angle θ with respect to the vertical plane 100YJust leaning. Each light beam control element has a plurality of openings or a plurality of lenses formed in an array. In the present embodiment, the light beam control unit 8 is provided on the front surface of the display 1 when viewed from the observer 4, but may be provided on the back surface.
[0032]
A point P on a line 19 extending in a direction perpendicular to the vertical plane 100 from the junction of the two display surfaces of the display unit 1AAssume that the observer 4 is located at That is, this position PAThe distance L from the center to the center of the light beam control unit 8 is the viewing distance. The line 19 is a line drawn from this position toward the center of the display 1 when the observer 4 stands at a position where the display 1 can be viewed symmetrically.
[0033]
If the viewing zone angle at the central opening of the light beam controller 8 is 2θ, the viewing zone angle at the openings at both ends 8a and 8b of the light beam controller 8 is also 2θ. And the opening part of the both ends 8a and 8b of the light beam control part 8, and the point PAThe distance 11 between the points where the rays 7a and 7b forming an angle θ outward from the respective lines connecting the two and the viewing distance plane 102 where the observer 4 is located parallel to the vertical plane 100 is the viewing distance L. This is an area where no false image can be seen.
[0034]
Next, the principle of resolution improvement of this embodiment will be described. First, the principle of improving the resolution by the fact that the horizontal size of the pixels is apparently reduced due to the tilt of the display surface will be described with reference to FIGS.
[0035]
2A and 2B are views of the display 1 and the light beam control unit 8 having the opening 2 and the light shielding unit 3 as seen from above. When the pixel 14 is viewed from the front through the opening as shown in FIG. 2A and the angle θ from the front as shown in FIG.YThe sizes of the pixels 14 are compared when they are tilted and viewed obliquely through the opening. In general, in the creation of a stereoscopic image by the IP method, the pitch of an aperture or lens is pixel pitch × number of parallaxes. Therefore, since the apparent lens pitch is reduced by viewing from an oblique direction, the pitch p of the openings 2 in the equation (1)eCan be reduced, and βnyq increases. Next, since the pixel pitch is apparently reduced, the light density from one opening is increased, and βimax in the equation (5) is increased. The actual pixel size is wpThen, the pixel pitch of the apparent pixel seen from the diagonal is wp× cosθYThus, the pixel 14 is smaller than when viewed from the front through the opening.
[0036]
Next, a pixel array arranged through the opening 2 of the light beam control unit 8 will be described. First, in FIG. 3, the light beams of the parallax image group 21 emitted from each opening when the stereoscopic image display device according to the present embodiment including the display 1 and the light beam control unit 8 having the opening 2 is viewed from above. Show the trajectory. In FIG. 3, a case of 8 parallax will be described as an example. In the center of the display 1, the parallax images constituting the parallax image group 21 emitted from the respective openings 2 are assigned symmetrically. That is, the parallax images are assigned so that the parallax numbers are −4, −3, −2, −1, 1, 2, 3, and 4. Each parallax number corresponds to one parallax image. At this time, the parallax is a value determined by an absolute angle emitted from the display 1 in the viewing distance direction regardless of the position of the observer, and this time, the shortest distance from the central portion of the display 1 in the viewing distance direction. With reference to the line 19 drawn in step 1, the angle is determined by how many times the line 19 is deviated therefrom. For example, the parallax (parallax angle) α of the parallax image with parallax number k is 2θ and the number of parallaxes is n (8 in FIG. 3).
α = θ · (2k−1) / n (k> 0)
α = θ · (2k + 1) / n (k <0)
It is expressed. When the parallax number n is an odd number,
α = 2θ · k / n
It is expressed. The parallax angle α is positive in the clockwise direction.
[0037]
The number of parallaxes n can be freely determined, but may be determined by specifications such as the definition on the display surface, the amount of pop-out that does not fall below a certain threshold, and the range of depth. At the right end 17 of the display 1, it is assumed that the position of the observer 4 is often in the center of the display 1, so that the light emitted from the opening at the right end of the display 1 faces the center of the display 1. A parallax image group with parallax numbers 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, and 8 may be emitted. Further, at the left end 18 of the display 1, the parallax images with the parallax numbers −8, −7, −6, −5, −4, −3, −2, and −1 may be emitted symmetrically with the right end 17.
[0038]
Next, the relationship between the parallax image and the slit opening when the observer sees the vicinity of the center of the display will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a view of the display 1, the opening 2, and the light rays of the display image at the center of the parallax image group as viewed from above. Here, the shortest distance between the display 1 and the light beam control unit 8 is d, and the tilt angle of the display 1 is θ.YThen, the point P where the observer 4 is located from the center of the parallax image group 21AIn order for the light rays to be emitted at the shortest distance toward the center, the center of the parallax image group 21 is positioned at the position P of the display 1 immediately below the opening 2.DFrom
t = d × tan (θY(7)
It is necessary to bring it closer to the center of the display 1 only. Width w of opening 2optAlthough it is better to determine as in the equation (4), it is determined to be the same size as the normal pixel size so that the light beam at the center of the parallax pixel is emitted most effectively. The spread 23 of the parallax image group on the viewing distance plane 102 is as shown in FIG.
[0039]
Next, FIG. 5 shows a view of the relationship between the parallax image at the left end of the display 1 and the opening from above. As shown in FIG. 3, by selecting the parallax number from -8 to -1 at the left end 18 of the display 1, the light beam 7 emitted from the opening is brought to the center, and thereby a normal parallax image can be seen. The possible area becomes wider. Therefore, the center P of the parallax image group 21 seen through the opening at the left end of the display 1 and the extension line of the light ray connecting the opening 2 is a point P where the observer 4 is located.ATo reach the shortest distance. Projection point P of display 2 on display 1DAnd the disparity amount t between the center of the parallax image group 21 on the display, the distance between the display 1 and the light beam control unit 8 is d, and the tilt angle of the display 1 is θYWhen the observer 4 stands at a position where the display 1 can be viewed symmetrically, a line 19 drawn from this position toward the center of the display 1 and a position P where the observer 4 is presentAThe angle formed by the straight line from the head toward the opening 2 is θZThen,
t = d × tan (θY−θZ (8)
It becomes. As described above, the shift amount at the center of the display 1 is expressed by the equation (7), and the shift amount at the end portion is expressed by the equation (8). For this reason, it is necessary to make the opening pitches different between the central portion and the end portion of the display 1, and the versatility of the light beam control element having the opening portion or the lens array is lost.
[0040]
Therefore, in the present embodiment, by changing the position of the parallax image to be displayed, the parallax image can be emitted at a normal position even if the opening pitch is constant. That is, with respect to the shift amount t between the center portion and the opening portion of the parallax image group 21 at the display end, the display center is also displayed by shifting the parallax image group toward the display end in a position where the shift amount is the same as the center portion. The ends also have the same opening pitch or lens pitch. FIG. 6 shows the positional relationship between the respective openings at the center and the end of the display 1 and the parallax image group. FIG. 6A shows a case where the amount of deviation between the center of the display 1 and the center of the parallax image group of the opening at the end is changed depending on the location, that is, the amount of deviation is a value defined by the equation (8). 6 (b) shows a case where the shift amount between the center portion and the end portion of the display 1 is not changed depending on the location, that is, the shift amount is a value defined by the equation (7). In FIG. 6A, the pitch of the openings 2 is changed between the central part and the end part of the light beam control unit 8, but in FIG. 6B, the central part and the end part of the light beam control unit 8 are changed. The pitch of the openings 2 is constant. A broken line 60 in FIG. 6B is a line corresponding to the outermost light beam 60 emitted from the opening 2 at the end of the light beam control unit 8 illustrated in FIG. Therefore, as shown in FIG. 6B, at the display end, by creating a parallax image closer to the display end with respect to the opening, the opening pitch can be made constant at the center and the end of the display. . Thus, even if a plane having an opening in a normal display having no inclination or a light beam control element similar to the lens array is used, the amount of deviation from the display image is expressed by the following equation (7): A stereoscopic image display device with high resolution and high presence can be obtained.
[0041]
FIG. 7 shows how to assign parallax numbers on the display in accordance with the angle emitted from the display 1 when the shift of the parallax image group in FIG. 6 is taken into account. The angle formed by the line 19 connecting the observer 4 located at the center of the viewing distance and the center of the display 1 and the line 62 connecting the arbitrary opening of the light beam controller 8 and the observer 4 is θZAnd the angle of one parallax is θNIf
θN= Viewing angle / number of parallax = 2θ / number of parallax
It becomes. θZIs the angle θ of one parallax imageNIf it becomes larger, the parallax numbers should be shifted one by one. When the parallax image is shifted, pixels that do not belong to any parallax number are generated at the boundary of the shifted parallax image. In this case, it is difficult to recognize the transition of the image at the boundary by placing some parallax image.
[0042]
For example, an embodiment will be described for a case where a stereoscopic image is created with 8 parallaxes. In FIG. 7, θ in the A, B, C, and D regions for the case of 8 parallaxes.ZAnd θNAssume that the relationship is as follows. As left-right symmetry, only the left half will be described.
A; 0 ≦ | θZ| <ΘN/ 2
B; θN / 2 ≦ | θZ| <3θN / 2
C; 3θN / 2 ≦ | θZ| <5θN / 2
D; 5θN / 2 ≦ | θZ| <7θN / 2
E; 7θN / 2 ≦ | θZ
Then,
In area A, from -4 parallax to 4 parallax
In region B, from -5 parallax to 3 parallax
In region C, from -6 parallax to 2 parallax
In D region, from -7 parallax to 1 parallax
In E region, from -8 parallax to -1 parallax
It is good to sort like
[0043]
As described above, the case of the stereoscopic image display device provided with the tilted display 1 and the light beam control unit 8 having the linear opening 2 on the plane has been described. Even if the part is replaced with a flat opening and the lens width is replaced with the opening pitch, a good three-dimensional display in which the luminance does not decrease can be obtained.
[0044]
In addition, the tilted display allows two liquid crystal modules to beYBy simply tilting, it can be obtained with an existing display, and the slit design can be obtained simply by shifting the existing one.
[0045]
In the present embodiment, a display that is tilted seamlessly has been described. However, in a state where two normal flat displays are combined, an area where no light beam is emitted is generated due to the influence of the frame of the display, and the image becomes discontinuous. Therefore, as shown in FIG. 8A, a mirror 40 with a sparse surface is placed on the frame, and an image that does not contribute to the light control of the display 1 near the mirror 40 may not have a background or parallax. Is displayed, and it is ejected in all directions, so that the lack of an image at the discontinuous portion becomes inconspicuous. FIG. 8B is an enlarged view of the joint portion 41 between the display 1 and the mirror 40.
[0046]
Further, as a first modification of the stereoscopic image display device according to the present embodiment, as shown in FIG. 9, the display unit 1 includes a display unit including two planar display surfaces used in the present embodiment. A plurality of them may be combined. In this case, the light beam control unit 8 has the same shape as shown in FIG.
[0047]
Further, it is conceivable to use a concave curved surface display as a method for making the joint inconspicuous. An example using a concave curved surface display will be described with reference to FIG. 10 as a second modification of the present embodiment. As shown in FIG. 10, by making the display 1 into a concave curved surface, a high-resolution display without a seam can be obtained. In this case, the concave curved surface display 1 and the light beam control unit 8 have the same radius of curvature R. When a concave curved display is used, since the display is not inclined at the center of the display 1, the resolution is the same as that of a normal flat display. However, since the edge of the display 1 is inclined, the apparent pixel pitch is small. And the resolution increases. When the display is enlarged, the edge of the image is often far from the observer. In this case, if a concave curved surface display is used, the resolution at the display end can be increased.
[0048]
Further, by using a concave curved surface display or an inclined display, the image edge comes out forward, so that a three-dimensional image with a large pop-up amount can be displayed compared to a conventional flat display.
[0049]
In general, the resolution is determined by the distance between the plane having the aperture or the position of the lens array and the image. Therefore, the concept of the resolution limit in the pop-out amount direction in the flat display and the concave curved display will be described with reference to FIG. 11A is a horizontal sectional view when a concave display is used, and FIG. 11B is a horizontal sectional view when a flat display is used. In FIG. 11A, reference numeral 64 is a curved surface having the same curvature as that of the concave curved surface display 1, and reference numeral 42 is a line calculated that the resolution is constant.
[0050]
L is the shortest distance between the viewing distance plane 102 and the image edge.A, The shortest distance between the viewing distance plane 102 and the center of the display is LBThen, even if the resolution is the same, when using a concave curved surface display, on average LB-LAThe pop-up amount determined from the resolution limit can be increased. However, the average depth is LB-LAOnly the depth is determined from the resolution. Independent of the effect that the image edge appears in front, an increase in resolution (an amount corresponding to the reference numeral 26 in FIG. 11) occurs because the display described above is slanted. , Display with a large resolution.
[0051]
When the concave curved surface display shown in FIG. 10 is used, the distance L between the edge of the display 1 and the viewing distance plane 102.A= 1.11 m, distance L between display center and viewing distance plane 102B= 1.15 m, viewing zone angle 2θ = 18 °, radius of curvature R of concave curved surface display 1 = 0.45 m, gap between light beam control unit 8 and display 1 is g = 2.5 mm, and concave curved surface display 1 is Angle 2θ stretched with respect to the center of curvature of the display area when viewed from aboveMHalf of θM= 24.5 ° The resolution is calculated. Nyquist frequency β calculated by the equation (1) at the edge and the center of the display 1 as seen from the center of the viewing distance plane.nyqAnd the resolution β of the stereoscopic image when the aperture is optimized, calculated by the equation (5)coptThe calculation results are shown in FIG. Note that the horizontal axis z in FIG. 12 indicates the distance from the viewing distance plane 102 to the stereoscopic display image, as shown in FIG.
[0052]
From FIG. 12, by making the display 1 into a concave curved surface, for example, an area where 600 cpr can be realized approaches the observer up to z = 1.05 m at the center of the display 1 and z = 1 m in the light rays from the edge of the display 1. be able to. In other words, the distance from the opening at the center of the display 1 to the display limit is 10 cm (= 1.15 m−1.05 m). The distance from the opening at the end of the display 1 to the display limit is 11 cm (= 1.11 m-1 m). This 1 cm is an improvement in resolution due to apparent pixel size reduction caused by tilting the display 1. By further tilting the display 1, the resolution is further increased. Further, the improvement of the display limit of 5 cm is considerably difficult to realize by changing the process for reducing the pixel size. For this reason, the resolution improvement by the concave curved surface display is effective.
[0053]
Next, FIG. 13 shows a case where a conventional flat display is used when viewing the display edge from an observer at the center of the viewing distance seen symmetrically of the display, and a case of this embodiment using a concave curved surface display. Indicates the resolution. Note that the size of the curved display 1 of the present embodiment is the size of the curved display used in the calculation of FIG. Also, the horizontal axis z in FIG. 12 indicates the distance from the viewing distance plane 102 to the image, as shown in FIG.
[0054]
From FIG. 13, when the image is formed between the display 1 and the observer, that is, in the protruding region of the display 1 (z ≦ 1.15), the resolution of the present embodiment is higher than that of the conventional case. ing.
[0055]
As described above, in the concave curved display, the display edge has a certain range of resolution because the resolution is improved by reducing the apparent pixel pitch from the center of the display and the screen coming forward. It will be. From FIG. 13, it can be seen that the present embodiment using the concave curved surface display improves the resolution with respect to the pop-out amount, compared with the conventional case using the flat display.
[0056]
In designing a 3D display, the changes when a flat display is changed to a concave curved display will be described. First, the display must be curved.
[0057]
The design of slits and lens arrays, which are light beam control elements on curved displays, is the same as curved displays, even if the distance between the concave curved display and the light control element is constant or changed depending on the location. It is necessary to have a curved surface. Otherwise, the pixels on the display surface are not emitted in the proper direction, and image degradation such as crosstalk and double images occurs. With respect to the opening such as a slit or the pitch of the center of the lens array, the tilt angle differs from place to place, unlike the tilted display. Therefore, the distance between the display and the light beam control element is d, and an arbitrary position P on the concave curved surface display 1 from the center of the concave curved surface display 1 as shown in FIG.xIf the distance to x is x, the position P where the observer 4 isAThe position P from the center of the display 1 when viewed from the topxAngle θZX / L, and the angle θx of the arc when viewed from the center of curvature of the display 1 can be expressed as x / R.xThe amount of deviation of the opening at the center of the image is modified from equation (8),
t = d × tan (θx−θz)
= D x tan (x / Rx / L) (9)
It becomes. In addition, as described in the tilted display, an area called a viewing zone that prevents a false image that does not pass through the light control element that should pass originally from appearing by bringing the parallax emitted from the edge of the display to the center. In order to make it wider, the parallax number is gradually changed as it goes to the edge of the screen. It is also desirable if the opening pitch can be kept unchanged even when the curvature angle or radius of curvature of the concave curved display is changed.
[0058]
In the case of the tilted display, as shown in FIG. 7, it has been described that the parallax number is changed to face inward as the display goes to the end. In this case, the tilt angle of the display is θYTherefore, the angle θ for causing the central ray of the parallax number to be emitted from the opening at the center of the viewing distance planeZIs a function of only the parallax display position z. However, as shown in the equation (7), in the case of a concave curved surface display, the inclination angle θYIs also a function of the display position x. For this reason, if the opening pitch is made constant, it is designed to be emitted from two types of openings adjacent to one parallax number under the following conditions, and thus crosstalk occurs. In that case, the aperture pitch is changed as a function of x depending on the location, or in the boundary region where the parallax number to be emitted changes in advance, either the parallax number that causes crosstalk is deleted, or the dominant parallax number It is necessary to take measures such as selecting.
[0059]
For example, with reference to FIG. 14, the conditions for preventing crosstalk will be described. FIG. 14 shows the case of 8 parallaxes. The parallax number on the display 1 and the light beams of the respective parallax numbers that spread through the opening will be described. First, the parallax number assignment method and the relationship between the curvature angle and the viewing zone angle at the boundary 39 of the region displaying from -4 parallax to 4 parallax to the region displaying from -5 parallax to 3 parallax will be described.
[0060]
The curvature angle is determined by a distance x from the center on the display 1 and is expressed as x / R and is a function of x. The angle per one parallax image where N is the number of parallaxes is θNAnd the curvature angle of the concave curved surface display 1 is θMThen, if the parallax numbers are assigned as shown in FIG. 7, the boundary is as shown in FIG.
[0061]
When the parallax number is switched at the above boundary, as a condition that the parallax number between adjacent openings is not overlapped and mapped to the same pixel,
θx−θZ> 0
That is, from FIG.
θN/ 2−θM/ Number of parallax> 0 (10)
It is. When the above conditions are satisfied, a parallax number without crosstalk can be assigned. For example, the larger the number of parallaxes, the easier it is to satisfy the above conditions. In the case of a flat display or a tilted display, pixels that do not belong to either parallax are generated at the boundary where the parallax number assignment is changed, but in the case of a concave curved display, such pixels may not be generated. it can.
[0062]
Further, the alignment of the light beam control element and the display 1 is also important. If the light beam control element and the display 1 are manufactured integrally, the alignment is easy. However, if the light control element and the display 1 are attached later, it is preferable to facilitate the alignment image. The position of the light beam control element may be behind or in front of the display 1. Moreover, you may project on a curved screen like a projector system.
[0063]
Although the shape of the curved display is shown in FIG. 10 as a part of an arc having a radius of curvature and a curvature angle, the display 1 using a part of an ellipse may be used as shown in FIG. Little change in tilt angle. In FIG. 16, when the two focal points of the ellipse are F and F ′, the locus P of the ellipse is
FP + F'P = constant
It becomes. Therefore, assuming that the line connecting the focal points F and F ′ of the ellipse is the optimal viewing distance and the two focal points are the respective ends of the parallax image, the parallax images at both ends of the center of the display 1, that is, in the case of 8 parallaxes, The sum of the distances between the 4 parallax and the 4 parallax rays and the sum of the parallax images at both ends of the display end, that is, the distance between the -8 parallax and -1 parallax rays are the same. This is good because the intensities of the light rays at the center and the edge at the viewing distance are averaged.
[0064]
FIG. 17 shows the resolution dependency of the pixel size and the gap d, which is the distance between the light beam display 1 and the light beam control element, at the resolution αimax determined by the light beam density per opening. P in FIG.pIndicates the pixel size, but when the pixel size decreases, the pitch p of the openingseTherefore, the resolution near the light beam control element is improved.
[0065]
Here, it can be seen from FIG. 13 that the resolution improves as the gap d increases, but there is a problem that the viewing zone angle decreases as the gap d increases. In the case of a concave curved surface display, since the originally visible range is small, even if the viewing zone angle 2θ is small, it is natural that the viewing zone 5 becomes narrow as shown in FIG. Therefore, it is possible for the concave curved display to improve the resolution by narrowing the viewing zone angle.
[0066]
From the above, the main factors that increase resolution
1) Effect of the display edge protruding forward
2) The effect of reducing the horizontal size of the pixels due to the tilting of the display.
3) Since the angle of view of the display has become smaller, the beam bundle at the end of the display can be assigned to the same size as the angle at which the observer's screen is desired, and the viewing zone area away from the display has increased. Raised.
[0067]
As shown in FIG. 19, when the display 1 is an LCD (Liquid Crystal Display), the rising angle θ of the liquid crystal molecules 36 in a direction in which the display surface is viewed in front.mIs designed to maximize. For example, normally white is designed to be darkest when the display 1 is viewed from the front. In FIG. 19, reference numeral 15 indicates a pixel, and reference numeral 37 indicates a liquid crystal layer.
[0068]
For this reason, in the case of this embodiment, since it is assumed that the display 1 is inclined, the inclination angle θYTherefore, if the contrast is designed to be maximized, the image quality becomes better. Therefore, the tilt angle θ which is the rising angle of the liquid crystal moleculesmIs the tilt angle of tilted display and concave curved displayYAnd the angle between the parallax image at the center of the parallax image group and the observer and the display 1 when viewed from the front.ZThen, from FIG.
θm= ΘY−θZ
It is desirable that
[0069]
Also, by lowering the voltage applied to the liquid crystal layer 37 instead of the maximum value, the rising angle of the liquid crystal molecules 36 can be made oblique, and the contrast when viewed from the observer of the concave curved surface display or the tilted display is maximized. Can be designed to
[0070]
As described above, according to the present embodiment, the display has a concave curved surface, or a plurality of inclined displays are arranged so as to face the observer, without changing the horizontal pixel size. The apparent horizontal pixel size can be reduced, and the viewing area in the direction away from the display can be increased as shown in FIG.
[0071]
FIG. 20 shows the configuration of the third modification of the present embodiment. As shown in FIG. 20, the display 1 and the light beam control unit 8 are formed such that a plurality of flat display surfaces form part of a polygon as viewed from the observer 4, and these display surface groups are seamlessly connected. Even in such a configuration, the effect of increasing the resolution can be seen.
[0072]
(Second Embodiment)
Next, FIG. 21 shows a configuration of a stereoscopic image display apparatus according to the second embodiment of the present invention. This embodiment has a configuration in which the display 1 and the light beam control unit 8 are formed in a convex curved shape when viewed from the observer 4 in the stereoscopic image display device of the first embodiment. For this reason, since the position of the center part is ahead of the end, the resolution of the center part is increased. As for the edge, since the position is behind, when a stereoscopic image is displayed forward, the resolution of the image through the opening at the edge or the lens array is lowered. However, since the observer 4 views the image from an oblique direction, the resolution displayed by the effect described above increases. Therefore, the boundary 42 of the resolution limit at which the stereoscopic display can be normally displayed can be set at the same position on the entire screen as compared with the boundary 42 shown in FIG. 11, and there is an advantage that a stereoscopic display image can be easily created.
[0073]
(Third embodiment)
FIG. 22 shows a configuration of a stereoscopic image display device 3 according to the third embodiment of the present invention. In this embodiment, in the stereoscopic image display device according to the first embodiment, the display 1 and the light beam control unit 8 have a plurality of (two in this embodiment) planar display surfaces in a convex shape as viewed from the observer 4. It is formed so as to form a part of a square. Even when the display surface groups have display surfaces that are seamlessly connected, the effect of increasing the resolution can be seen. Moreover, it is effective when it is desired to emphasize the resolution at the center as in the second embodiment shown in FIG.
[0074]
(Fourth embodiment)
FIG. 23 shows a cross-sectional view of the curved display 1 used in the stereoscopic image display apparatus of the present invention, and a creation method will be briefly described as a fourth embodiment. For example, a conventional liquid crystal display device or the like cannot be bent on a curved surface because a liquid crystal layer is sandwiched between thick glass substrates.
[0075]
Therefore, after a TFT (Thin Film Transistor) 45 is formed on the glass substrate 43 by a normal process, the glass substrate is thinned with an appropriate abrasive, and then a PES substrate or a plastic substrate as the support substrate 44 is bonded. The structure can be made flexible. In the case of a TN liquid crystal, the change in the thickness of the liquid crystal layer due to bending greatly affects the voltage value for determining the transmittance of the liquid crystal, so the thickness should be uniform. Therefore, by inserting the spacer 51, the thickness of the liquid crystal layer 52 is made constant everywhere. In addition, when the color filter is applied to the counter substrate 48 having the counter electrode 47, a positional shift or the like occurs when it is bent. Therefore, the color filter 46 is preferably formed on the substrate 43 on the TFT side. In some cases, the liquid crystal layer 52 may have the maximum brightness in the oblique direction in order to direct the exit direction from the opening or the lens array 50 to the observer. Therefore, the tilt angle of the liquid crystal may be tilted in advance toward the observer, or a liquid crystal material having a high viewing angle may be selected. Next, since it is necessary for light control to maintain a constant gap between the lens array 50 or the light beam control unit having the opening and the display, the plastic is transparent, has a uniform thickness, and can be bent to some extent. A substrate may be used, or a plastic substrate (49) on a film or a thin acrylic substrate may be placed through a certain spacer.
[0076]
As described above, according to the present embodiment, the pixel array is observed obliquely by arranging a plurality of displays that are concave or convex when viewed from the viewpoint, or are tilted when viewed from the observer. As a result, the apparent pixel pitch can be improved, and the resolution of the pop-out area can be improved. Even if the viewing zone angle is narrowed with the same number of parallaxes, the viewing zone in the direction away from the screen can be expanded to infinity by the above structure. Optimization of the desired pop-out resolution can be designed by optimizing the slit spacing, the radius of curvature, the curvature angle, and the inclination angle of the polygon.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even when a three-dimensional image is reproduced at a position away from the display surface, the viewing area is narrowed in the direction away from the screen with reference to the observer without reducing the resolution. Can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a horizontal sectional view showing a configuration of a stereoscopic image display apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the effect of the first embodiment.
FIG. 3 is a view for explaining a place-specific parallax image group of a display according to the first embodiment;
FIG. 4 is a horizontal sectional view showing the positional relationship between the opening and the display pixel in the vicinity of the center of the tilted display according to the first embodiment.
FIG. 5 is a horizontal sectional view showing the positional relationship between the opening and the display pixel at the end of the tilted display according to the first embodiment.
FIG. 6 is a conceptual diagram showing the positional relationship between the central portion of the tilted display according to the first embodiment, the opening at the screen edge, and the parallax image.
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a parallax image number group at an arbitrary position of the tilted display according to the first embodiment.
FIG. 8 is a conceptual diagram showing a configuration of a seam portion when there is a seam between inclined displays according to the first embodiment.
FIG. 9 is a horizontal sectional view showing a configuration of a stereoscopic image display device according to a first modification of the first embodiment.
FIG. 10 is a horizontal sectional view showing a configuration of a stereoscopic image display apparatus according to a second modification of the first embodiment.
FIG. 11 is a schematic diagram showing a pop-out limit with respect to a resolution threshold value of the concave curved surface display according to the first embodiment and the conventional flat display.
FIG. 12 is a diagram showing the distance dependency of the resolution from the observation point when the concave curved surface display according to the present embodiment is used.
FIG. 13 is a diagram showing the distance dependency from the observation point of the average resolution of this embodiment and the conventional example.
FIG. 14 is a diagram illustrating a parallax image assignment method for a concave display according to the present embodiment.
FIG. 15 is a diagram showing a boundary of parallax number assignment for preventing crosstalk when the concave display according to the present embodiment is used.
FIG. 16 is a ray trajectory diagram when a concave curved surface is created by an ellipse.
FIG. 17 is a diagram showing a relationship between a gap interval between a concave curved surface display and a light beam control element and a resolution α determined from a light beam density per opening.
FIG. 18 is a horizontal sectional view showing the viewing area of the concave curved surface display according to the first embodiment.
FIG. 19 is a diagram for explaining a preferred tilt angle of liquid crystal molecules when the display is a liquid crystal display device.
FIG. 20 is a horizontal sectional view showing a configuration of a third modification of the stereoscopic image display device according to the first embodiment;
FIG. 21 is a horizontal sectional view showing a configuration of a stereoscopic image display apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a horizontal sectional view showing a configuration of a stereoscopic image display apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a liquid crystal display device having a concave curved surface display according to the present invention.
FIG. 24 is a diagram for explaining binocular parallax.
FIG. 25 is a horizontal sectional view for explaining the principle of performing stereoscopic display by the IP method in a conventional stereoscopic image display apparatus.
FIG. 26 is a horizontal sectional view for explaining the resolution by the Nyquist frequency in the IP method.
FIG. 27 is a horizontal sectional view for explaining the resolution of a parallax image group of an aerial image of the IP method.
FIG. 28 is a horizontal sectional view showing a viewing area of a conventional stereoscopic image display device.
FIG. 29 is a horizontal sectional view for explaining a problem of a conventional stereoscopic image display device.
[Explanation of symbols]
1 Two-dimensional image display device (display)
2 opening
3 Shielding part
4 observers
5 Viewing zone where normal images can be seen
7 rays
8 Light beam control unit
11 Areas where no false images are seen at viewing distance
13 Object image to be displayed in 3D
14 pixels
17 Right edge of display
18 Left edge of display
19 When an observer stands at a position where the two-sided display can be viewed symmetrically, a line drawn from there toward the center of the display
21 A group of parallax images emitted from one opening
23 Spread of parallax image at parallax distance
25 Deviation between the edge of the parallax image group and the opening
100 Surface perpendicular to the viewing distance plane
102 Viewing distance plane

Claims (4)

観測者からみて凹面状または凸面状の表示面内に位置が定められた画素がマトリクス状に配置される表示部と、2次元パターンを前記表示部の前記表示面に表示する2次元パターン表示手段と、複数の開口部または複数のレンズを有し前記画素からの光線の方向を制御する光線制御部とを備え、
前記表示部は、継ぎ目なく接続された少なくとも2枚の平面状の表示面を備え、かつ前記表示部の前記表示面が前記光線制御部の前記開口部または前記レンズ毎に対応した要素画像に分割され、
前記光線制御部の開口部のピッチまたはレンズのピッチは、前記表示部の前記画素のピッチの整数倍になっていることを特徴とする立体画像表示装置。
A display unit in which pixels positioned in a concave or convex display surface as viewed from the observer are arranged in a matrix, and a two-dimensional pattern display means for displaying a two-dimensional pattern on the display surface of the display unit And a light beam control unit that has a plurality of apertures or a plurality of lenses and controls the direction of the light beam from the pixel,
The display unit includes at least two planar display surfaces connected seamlessly , and the display surface of the display unit is divided into element images corresponding to the openings or the lenses of the light beam control unit. And
The stereoscopic image display device , wherein the opening pitch of the light beam control unit or the lens pitch is an integral multiple of the pixel pitch of the display unit.
前記光線制御部の開口部またはレンズの中心から、前記表示面に下ろした垂線と前記表示面が交差する位置と視差画像の中心の位置が、前記表示面の傾き角度に応じてずれており、該ずれ量が前記表示部の端部と中央部とでは異なっていることを特徴とする請求項1記載の立体画像表示装置。  From the opening of the light beam control unit or the center of the lens, the position where the perpendicular line dropped on the display surface intersects the display surface and the position of the center of the parallax image are shifted according to the tilt angle of the display surface, The stereoscopic image display device according to claim 1, wherein the shift amount is different between an end portion and a center portion of the display portion. 前記光線制御部の開口部またはレンズの中心から、前記表示面に下ろした垂線と前記表示面が交差する位置と視差画像の中心の位置が、前記表示面の傾き角度に応じてずれており、前記表示部の端部での前記視差画像群は、前記開口部の中心に対して前記表示部の端部方向にずれていることを特徴とする請求項1記載の立体画像表示装置。  From the opening of the light beam control unit or the center of the lens, the position where the perpendicular line dropped on the display surface intersects the display surface and the position of the center of the parallax image are shifted according to the tilt angle of the display surface, The stereoscopic image display apparatus according to claim 1, wherein the parallax image group at an end of the display unit is shifted in an end direction of the display unit with respect to a center of the opening. 前記表示部は液晶表示装置であり、前記表示部の前記表示面上の任意の点の接線と視距離面と平行な面と成す傾き角をθY、任意の開口部と視距離面の中心とを結んだ線と前記開口部と視距離面とを最短距離で結んだ線とが成す角度をθZとすると、液晶分子の最大チルト角θM
θM=θY−θZ
であるように構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の立体画像表示装置。
The display unit is a liquid crystal display device, and an inclination angle between a tangent of an arbitrary point on the display surface of the display unit and a plane parallel to the viewing distance plane is θ Y , and an arbitrary opening and the center of the viewing distance plane And θ Z is the angle formed by the line connecting the opening and the line connecting the opening and the viewing distance surface with the shortest distance, the maximum tilt angle θ M of the liquid crystal molecules is θ M = θ Y −θ Z
The stereoscopic image display device according to claim 1, wherein the stereoscopic image display device is configured as follows.
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