JP4452719B2 - 立体的二次元画像表示装置 - Google Patents
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Description
これに対し、二次元画像をマイクロレンズアレイによって浮き出させて結像することで、簡単な構成で、あたかも立体画像が映し出されているように表示できる立体的二次元画像表示装置が提案されている。図1に示すように、この立体的二次元画像表示装置1は、立体像を含む二次元画像を平面状の画像表示面3aに表示する表示部3と、画像表示面3aに離間して配置され、複数のレンズからなるマイクロレンズアレイ5からなり、表示部3とは反対側に位置する空間に二次元画像の実像(結像)の結像面7を生成する。この立体的二次元画像表示装置1によれば、非常に簡単な構成で、臨場感を得ることができた。
図2は本発明に係る立体的二次元画像表示装置の第1の実施の形態の概略構成図、図3はマイクロレンズアレイの変形例を表す部分拡大図である。
本実施の形態による立体的二次元画像表示装置100は、二次元画像を表示する画像表示面11aを備えた表示部11と、画像表示面11aに離間配置されるマイクロレンズアレイ13と、表示部11と立体的二次元画像15との間に配設される光線屈折手段17とを備える。立体的二次元画像表示装置100は、基本動作として、画像表示面11aから出射する光をマイクロレンズアレイ13によって結像し、立体的二次元画像15を表示する。
マイクロレンズアレイ13は、例えば二枚のレンズアレイ半体19、21を一体化させてなる。各レンズアレイ半体19、21は、それぞれ透光性に優れたガラス又は樹脂からなる透明基板の両面に、複数のマイクロ凸レンズ23を、アレイ状に配置して当該面上にレンズアレイ面を構成したものである。一面に形成された各マイクロ凸レンズ23の光軸は、対向する位置に形成された他面のマイクロ凸レンズ23の光軸と同一となるように調整されており、またレンズアレイ半体19、21間で隣り合うマイクロ凸レンズ23同士の光軸も同一となるように重ね合わされている。なお、本明細書では、二枚のレンズアレイ半体の各々の面(合計四面)の何れの面にもレンズアレイ面が構成されたマイクロレンズアレイを利用した実施例を記載するが、マイクロレンズアレイの構成としてはこれに限られるものではない。
マイクロレンズアレイ13は、表示部11から入射された画像に対応する光をレンズアレイ半体19から入射させ、内部で一回反転させた後、レンズアレイ半体21から出射させることが望ましい。これにより、マイクロレンズアレイ13は、表示部11に表示された二次元画像を立体画像表示面25上に正立の立体的二次元画像15として表示することができる。
本実施の形態では、表示部11と立体画像表示面25(立体的二次元画像15)との間に、より具体的には、マイクロレンズアレイ13と立体画像表示面25との間に、光線屈折手段17が設けられている。光線屈折手段17は、光線を屈折することによりマイクロレンズアレイ13と立体画像表示面25との間の距離を変えるように働く。この光線屈折手段17としては、レンズを好適に用いることができる。図示の例では凹レンズ29が用いられている。このような凹レンズ29が設けられることにより、本来、表示部11からマイクロレンズアレイ13までの距離と等しく設定されているマイクロレンズアレイ13から立体画像表示面25までの距離を、増大させることができる。これにより、浮き出し量を増やすことが可能となる。
なお、図2の例では、光線屈折手段17として凹レンズをマイクロレンズアレイ13と立体的二次元画像15との間に配設した場合を説明したが、この他、光線屈折手段17は、凹レンズ以外に凸レンズ、平凹レンズ、平凸レンズ等の他のレンズを用いたり、或いは他の位置に設けてもよい。
さらに、図6に示すように、表示部11とマイクロレンズアレイ13との間で、表示部11に近接させて凹レンズ29を設ければ、画像表示面11aに表示させた二次元画像を、浮き出し量を増やしたり、拡大させたりした立体的二次元画像15として結像させることができる。
また、光線屈折手段17は、立体的二次元画像表示装置100に着脱自在に設けられてもよい。このような着脱構造とすることにより、凹レンズ29や凸レンズ31の別、或いは異なる曲率の光線屈折手段17を選択的に装着でき、所望の浮き出し量や倍率への調整が可能となる。さらに、これら光線屈折手段17である付加レンズ(凹レンズ29、凸レンズ31)は、マイクロレンズアレイ13または表示面11と近接させることが望ましい。
図7は焦点可変レンズを備えた第2の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置の概略構成図、図8は焦点可変レンズの正面視を(a)、断面を(b)、直径方向の屈折率分布を(c)に表した説明図、図9は固定レンズを液晶の外側に設けた構成を(a)、内側に設けた構成を(b)に表した焦点可変レンズの変形例の説明図である。
図10は前側レンズアレイ半体のレンズピッチを後側レンズアレイ半体より小さく設定した第3の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置の概略構成図、図11は前側レンズアレイ半体のレンズピッチを後側レンズアレイ半体より大きく設定した第3の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置の概略構成図である。なお、ここでレンズピッチとはマイクロレンズアレイを構成する各々のマイクロ凸レンズのうち、隣接するマイクロ凸レンズの中心点の距離を言う。
この実施の形態による立体的二次元画像表示装置300は、マイクロレンズアレイ61が平行な二枚のレンズアレイ半体である前側レンズアレイ半体63と、後側レンズアレイ半体65とからなる。マイクロレンズアレイ61は、一方のレンズピッチと他方のレンズピッチとが、光線を屈折することによりマイクロレンズアレイ61と立体的二次元画像15との間の距離を変える方向や、立体的二次元画像15の倍率を変える方向にずれている。
図12は前後面レンズのレンズピッチの組み合わせ例を(a)〜(c)で表した説明図である。
なお、図12に示す構成例では、前後面におけるレンズピッチが大小関係を有するが、図12(a)に比べて、図12(b),(c)の方が、より多くの面のレンズピッチを設定できるので、より適したレンズを構成しやすい。また、マイクロレンズアレイ(前側後側レンズアレイ半体)は、レンズピッチがずれた状態で性能が出るように考慮されていることが望ましい。さらに、前後面におけるそれぞれのマイクロ凸レンズの曲率は一定でなくてもよく、それぞれ適した曲率に設定してもよい。
図13は第4の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置に用いられるマイクロレンズアレイと偏芯光学系の構成例を(a)(b)に表した説明図である。
この実施の形態による立体的二次元画像表示装置は、図13(a)に示すように、マイクロレンズアレイ71が、平行な二枚の前側レンズアレイ半体63と後側レンズアレイ半体65とを有し、かつ前側レンズアレイ半体63と後側レンズアレイ半体65との間には偏芯光学系73が挟まれている。この偏芯光学系73としては、例えばプリズムアレイ75を好適に用いることができる。また、マイクロレンズアレイ71の変形例としては、図13(b)に示すように、プリズムアレイ75に代えてプリズム77を用いてもよい。なお、マイクロレンズアレイ71(前側後側レンズアレイ半体)は、偏芯光学系73が挟まれている状態で性能が出るように考慮されていることが望ましい。
図14は第5の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置のマイクロレンズアレイと偏芯量可変素子を(a)、偏芯量可変素子の屈折率分布を(b)、偏芯量可変素子の構成を(c)に表した説明図である。
この実施の形態による立体的二次元画像表示装置は、図14(a)に示すように、マイクロレンズアレイ81が、平行な二枚の前側レンズアレイ半体63と後側レンズアレイ半体65とを有し、かつ前側レンズアレイ半体63と後側レンズアレイ半体65との間には偏芯量可変素子83が挟まれている。
なお、上記した実施の形態による立体的二次元画像表示装置において、図15(a)に示すように、立体的二次元画像15を拡大表示させる構成のものでは、図15(b)に示すように、マイクロレンズアレイ13及び光線屈折手段17と立体的二次元画像15との間にさらに凹レンズ91を設けてもよい。このような構成とすることで、周辺に広がる光を正面へ屈折させ、浮き出し量は多少低下するものの周辺での見えを良好にすることができる。
また、本発明に係る立体的二次元画像表示装置では、図16(a)に示すように、周辺に広がる光によって立体的二次元画像15を表示できるので、表示部11、マイクロレンズアレイ13、光線屈折手段17等を接触させることなく、複数の立体的二次元画像15を連続させることができ、特に図16(b)に示すようなマルチ画面93の場合には画面境界における縁93a、93bを目立たなくし、滑らかに隣接した立体的二次元画像が繋げることができる。
さらに、本発明による立体的二次元画像表示装置は、図17(a)に示すように表示部11とマイクロレンズアレイ13及び光線屈折手段17との面積を同一とすると、光の取り込めない領域(図中、X印)が生じるため、図17(b)に示すように、マイクロレンズアレイ13及び光線屈折手段17を表示部11より大きく形成し、光取り込み領域(図中、白丸印)を増大させることが好ましい。これにより、立体的二次元画像15の周辺の明るさ低下を防止することができる。
なお、本発明の各実施の形態で示した例において、固定焦点のレンズ(フレネルレンズや凹レンズ、凸レンズ等)を用いた場合であっても、レンズそのものの位置を動かすことによって、焦点可変レンズ(液晶レンズ等)を用いた場合と同様に、表示される立体的二次元画像の浮き出し量や倍率を可変にすることもできる。
Claims (3)
- 二次元画像を表示する画像表示面を備えた表示部と、
前記画像表示面に離間配置され前記画像表示面から出射する光線を結像させて、立体的二次元画像を表示するマイクロレンズアレイと、を備えた立体的二次元画像表示装置であって、
前記マイクロレンズアレイは、少なくとも2枚のレンズアレイ半体を有すると共に、前記レンズアレイ半体の間に、
前記2枚のレンズアレイ半体のうち前側レンズアレイ半体から入射した光線を屈折させて後側レンズアレイ半体へ出射させて、前記2枚のレンズアレイ半体を偏芯させることと同じ効果を得る偏芯光学系であり、中心部は偏芯量が無く周辺に向かって偏芯量が一定の割合で大きくなるように形成された前記偏芯光学系が配置され、
前記偏芯光学系が配置されることにより前記光線を屈折させて、前記光線が結像する位置である立体画像表示面と前記マイクロレンズアレイとの間の距離を変え、かつ表示される前記立体的二次元画像の倍率を変えることを特徴とする立体的二次元画像表示装置。 - 前記偏芯光学系が、前記2枚のレンズアレイ半体と同じピッチのマイクロプリズムで構成されたプリズムアレイであることを特徴とする請求項1に記載の立体的二次元画像表示装置。
- 前記偏芯光学系は偏芯量可変素子であり、
該偏芯量可変素子は、
平行に配置した2枚の基板で液晶が密封され、前記2枚の基板の互いに対向する面に複数の電極と配向膜が形成され、前記複数の電極は、前記2枚のレンズアレイ半体の各マイクロレンズの配置に合わせて、かつ互いに対向するように、それぞれ形成されていることを特徴とする請求項1に記載の立体的二次元画像表示装置。
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