JP4515565B2 - 3D display device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、観察用のメガネが不要で、なおかつ視覚疲労の少ない、動画立体像を表示する立体表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
立体表示には数多くの方式が提案され開発されている。
一般的な立体表示装置に、図15に示すような二眼立体表示方式がある。左眼用画像151と右眼用画像152の2枚の視差画像を使用し、偏光メガネまたは偏光切替シャッタ153を装着し、それぞれの画像をそれぞれの眼に提示し立体像を表示する方式である。
この方式は比較的少ない情報量で容易に立体表示が可能であるという特長をもつが、再生立体像154を観察する場合、輻輳距離155と焦点調整距離156の違いによる視覚疲労が問題となっている。これは、視差画像の提示のみで立体感を出す方式に共通の課題となっている。
【0003】
視覚疲労の少ない立体像の表示には、空間上に立体像を再生する方式が有効である。この方式には、ホログラム表示方式や奥行き標本化方式がある。
ホログラムは自然な立体表示の可能性を持つが、被写体の干渉縞情報が必要であり、情報量が膨大となり、表示装置に超高精細なものが必要となり、動画立体像表示の実現には多くの課題がある。
【0004】
一方、奥行き標本化方式は、物体の各奥行き位置における二次元断面画像を、空間上に体積的に表示するものである。この方式では、奥行きをもった立体像が3次元空間中に再現されるため、輻輳距離と焦点距離が一致し、疲労が少なく、また、観察位置の移動に合わせた自然な立体像が観察できる。
この奥行き標本化方式には振動するミラーに映像を映し立体画像を表示するバリフォーカルミラー方式や、スクリーンが機械的に高速移動する移動スクリーン方式、回転する螺旋系のスクリーンを使用する方式などがある。また、液晶表示装置を使い、機械的な駆動部を持たない方式が開発されている。例えば、液晶パネルを多数重ね配置し、CRTに表示された画像を、重ねられた液晶パネルの適当な奥行きにあるパネルで反射させて、画像を体積的に表示する方式である。
【0005】
図16に液晶を用いた奥行き標本化方式の一例を示す。二次元表示部162に順次表示される各奥行きごとの画像163,164を、その後にある数cm以上の直径をもつ、液晶焦点可変レンズ161の焦点距離を同期して変化させ、空間上に各再生像165,166を体積的に表示する方式である。この方式の特長は機械的な駆動部が不要で、特殊メガネが不要で、自然な立体像が表示できることである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した奥行き標本化方式は、奥行き画像を順次表示していく時間分割方式である。そのため、目の残像時間内に立体像表示が完了しないとフリッカが知覚されてしまう。一方、1断面画像の表示時間が短くなると画像の輝度が低下してしまう。また、ビデオレート時間内に、高速に多数の奥行画像を表示する特殊な表示装置が必要となる。
そこで本発明の目的は、上記の時間分割による奥行き標本化表示の画質低下を防ぎ、従来の二次元画像表示部を使用し、視覚疲労を伴わない自然な動画立体像が表示可能な立体表示装置を提供せんとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明立体表示装置は、動画像を表示する二次元表示部と、焦点距離を制御できる焦点距離可変素子を、少なくとも前記二次元表示部の画像の画素数と同じ個数だけ配置された構造を持つ、焦点距離可変素子アレイと、該焦点距離可変素子アレイを構成する各焦点距離可変素子の焦点距離を、被写体の奥行き位置情報に基づいて高速に制御する焦点距離制御部とを具備し、前記二次元表示部の画像の各画素から出射されたインコヒーレント光を、独立に焦点距離が制御された前記焦点距離可変素子アレイを通過させ、各画素の像を空間中の結像点に結像させて、立体表示させることを特徴とするものである。
【0008】
さらに前記焦点距離可変素子は、透明電極を持った基板間に電界によって屈折率が変化する屈折率変化媒質が挟まれた構造であってもよく、電極間に電圧を印加したとき、屈折率変化媒質の屈折率分布がレンズの位相分布状になるような電極構造を持っていてもよく、電極間に電圧を印加したとき、屈折率変化媒質の屈折率分布がレンズの位相分布状になるような曲率を持った基板形状を有していてもよく、電極間に電圧を印加したとき、屈折率変化媒質の屈折率分布がレンズの位相分布状になるような抵抗率分布を持った電極を有していてもよく、印加電界によって光路長を可変できる構造のものとレンズの組み合わせから構成されていてもよい。
【0009】
また、前記立体表示装置においては、前記焦点距離可変素子の前もしくは後に、再生像の歪みをなくすとともに結像倍率を一定にする機能をはたすレンズ系が組合わされていてもよいし、前記焦点距離可変素子アレイからの出力光束に対し、視角を広くする機能をはたす光学系を有していてもよいし、各焦点距離可変素子が、光を任意の形状に遮光してファントム効果を解消するための遮光部を有していてもよい。
またさらに、前記屈折率変化媒質は、電気光学効果を持つ媒質であってもよく、さらに液晶または液晶を含む混合物であってもよい。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、本発明装置は各画素毎に結像位置を制御する空間分割方式であるため、時間分割方式で生じるフリッカや輝度の低下を防ぐことができ、従来の二次元表示装置を使用して自然な立体動画像表示が可能である。
以下添付図面を参照し実施例により本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0011】
【実施例】
(システム全体)
図1は本発明に係る立体表示装置第1の実施例を示す構成図である。
この実施例の二次元画像表示部11は、CRT、液晶表示部、プラズマ表示部、LED表示部、プロジェクタ投射部もしくはレーザ走査表示部など、モノクロまたはカラー動画像表示が可能なものである。
二次元画像表示部11の画像の各画素からの光12a,12bは、それぞれ、その後に配置された焦点距離可変素子アレイ13を構成する各焦点距離可変素子14a,14bに入射する。焦点距離可変素子アレイ13を構成する複数の各焦点距離可変素子は、それぞれ独立に焦点距離を変化できる駆動機構を備えたものである。各焦点距離可変素子の焦点距離は、被写体の奥行き位置情報17をもとに決められる。被写体の奥行き位置情報17は、被写体の奥行き距離が検出できる奥行き検出部16により得られたものが使用できる。
また、コンピュータグラフィックスのような実写画像でない場合は、計算により与えられた奥行き位置情報を使用することもできる。
奥行き位置情報17にしたがって、焦点距離制御部18により各焦点距離可変素子の焦点距離が制御される。この制御は、動画像に対応できるビデビデオレート速度以上で行われる。二次元画像表示部11の各画素からの光12a,12bが、焦点距離を制御された各焦点距離可変素子14a,14bを通過することにより、各画素の像はそれぞれ空間中の結像点15a、15bに結像し、観察者19に立体像20が表示される。
【0012】
(電極基本構成)
図2は本発明による立体表示装置の焦点距離可変素子の断面図である。
透明電極25を有する透明な基板26間に屈折率変化媒質27が挟まれた構造をしている。屈折率変化媒質27を挟む基板26の材質はガラスやアクリル等の合成樹脂などである。透明電極25は蒸着等の手法によって基板26の一面に密着されたIn203:Snなどの薄膜である。
【0013】
(特殊電極形状)
図3に本発明による立体表示装置の焦点距離可変素子の電極構造図を示す。
透明電極31は、両透明電極間に電圧を印加したとき、屈折率変化媒質がレンズ状の屈折率変化分布を起す電界分布になるような形状を有している。
例えば、電極構造は、図3(a)に示すような中心が円形に穴が空いた構造や、
図3(b)に示すようなリング形状構造をもつ。これらの形状の電極を基板の全面に付けた電極と対向させ、又はこれらの形状同士を対向させて、焦点距離可変素子を形成する。
【0014】
(基板形状)
図4は本発明による立体表示装置の焦点距離可変素子の基板構造図である。
基板の形状がレンズ状の曲面をもった構造を用いることができる。例えば、図4(a)の単レンズ状基板41や図4(b)のフレネルレンズ状基板42または図4(c)のグレーティングレンズ状基板43、図4(d)のレンチキュラレンズ状基板44などである。
【0015】
(抵抗値分布)
また、電極面内で抵抗値が異なる電極、たとえば、電極の中心と周辺部で異なる抵抗値を持つ電極により屈折率変化媒質を挟んだ構造を持つ焦点可変素子も、この立体表示装置に使用できる。
【0016】
(液晶)
図5は前記第1の実施例に使用される焦点距離可変素子の屈折率変化媒質として液晶または液晶混合物51を用いた、焦点距離可変液晶レンズの構成図を示す。
液晶の材料として、ネマティック液晶、コレステリック液晶、スメクティック液晶、またはこれら液晶の混合物、液晶と高分子ポリマの複合体などを使用する。常光屈折率と異常光屈折率の差が大きい(屈折率異方性が大きい)液晶を使用することで、液晶層が薄くても大きな屈折率変化が得られ、また応答速度の高速化と駆動電圧の低下が図れる。
配向処理が必要な液晶に関しては、基板52,基板53上にそれぞれ透明電極54,透明電極55を、さらに配向剤を塗布し配向膜56を形成し、液晶の配向を制御するラビング処理を行う。配向方法は、ホモジニアス配向や垂直配向を使用する。スペーサ57により基板間の間隔を制御し、液晶又は液晶混合物51を注入する。電極や基板形状は上記で説明したものを使用する。
【0017】
(液晶レンズ動作原理、電極構造)
図6に液晶を用いた焦点距離可変素子の1例を示し動作原理を説明する。
図6(a)に示すような円形穴型電極構造61を持ち、片方は基板全面に透明電極62を付けた場合について説明する。またここで液晶63は、ホモジニアス配向処理したネマティック液晶の場合について示している。
図6(b)は電圧が印加されない場合の図であり、液晶分子64は両基板と水平な方向に配向している。
図6(c)は電極間に弱い電圧を印如した場合の図である。電界方向に液晶分子64が配向し、穴電極中心部65では電界が弱いので液晶分子は基板に平行な方向に配向し、穴電極周辺部66では傾斜した電界のため、液晶分子の配向方向も傾斜した状態になっている。中心部分の屈折率が大きく、周辺の屈折率が小さい凸レンズ状態となっている。
また、電極間に強い電圧を印加すると、穴電極中心部65において電界方向に液晶分子が配向する(図6(d))。穴電極周辺部66では傾斜した電界の方向に液晶分子が配向した状態になる。この場合は、中心部分より周辺部分の屈折率が大きくなり凹レンズ状態となっている。
このように印加する電圧の変化により、屈折率分布が変化し、焦点距離を変化することができる。
また、周波数の変化により、配向方向が変化する2周波数駆動の液晶を用いると、駆動の周波数を変化させることで液晶の配向が制御可能であり、比較的高速な変調が可能となる。
電極構造にこのような円形穴型形状や、リング形状を用いることで、数十μm以下の直径を持つ焦点距離可変素子が作製可能であり、高精細な微小画素を持つ立体表示への応用が可能である。
【0018】
(液晶レンズ動作原理、基板構造)
図7に液晶焦点距離可変液晶レンズの他の例を示し動作原理を説明する。
ここでは、基板71としてレンズ形状のものを使用した場合について説明する。
レンズ形状の基板71の片側に透明電極73を有し、配向処理を行っている。このとき配向処理としては、配向液を塗布し布で一定の方向にこすり配向処理を行う。フレネルレンズなどの凹凸の差が大きい基板などこの方法が困難な場合は、偏光した光を照射し、配向を制御する光配向方法が有効である。また片側基板のみの配向処理でも焦点距離可変素子機能を持たせることは可能である。また、フレネルレンズ基板など透明電極の蒸着が難しい場合は、基板の液晶面と反対側に透明電極を付け、高電圧で駆動することも出来る。電極間に電圧を印加するに従い、液晶分子の配向方向が変化し、それによる屈折率の変化が生じ、焦点距離が変化する。また、周波数の変化により、配向方向が変化する2周波数駆動の液晶を用いると、駆動の周波数を変化させることで液晶の配向が制御可能であり、比較的高速な変調が可能となる。
このように、曲率をもつ基板を使用するメリットは、焦点距離可変素子の直径が数cm以上の大きなものが製作できる点にある。このため、大画面サイズの立体表示装置において、1画素が大きい焦点距離可変素子を構成することが可能となる。
【0019】
(焦点距離可変素子アレイの構成)
図8は焦点距離可変素子アレイの構成図である。焦点距離可変素子アレイ81は、焦点距離可変素子82を各画素に対応して配置した形状を有している。二次元表示部83の1つの画素84に対応して1つの焦点距離可変素子が対応した配置となっている。この場合、1画素からの出力光が複数個の焦点可変素子に入射するとゴースト像の発生や明るさの低下を招く。そのため、画素から出力される光束85はすべて対応する焦点距離可変素子にのみ入射することが好ましい。よって画素からの光束を制限する役割をはたす機構が必要となる。たとえば、画素84からの出力光を焦点距離可変素子82以外の焦点可変素子へ入射させないためのフェンス86などが有用である。
【0020】
(光路長変調方式マイクロレンズ)
図9に焦点距離可変素子アレイの別な構成例を示す。
屈折率変化媒質96を基板94に付けた透明電極95に挟んだものと固定のマイクロレンズ99およびマイクロレンズ100を組合わせた構造を持っている。電極間に印加する電圧により、屈折率変化媒質96の屈折率が変化するため、画素92および画素93からの出力光は、このセルを通過することにより光路長差が生じ、結像する像の位置が変わり、焦点距離可変素子アレイ90として使用できる。
屈折率変化媒質をマイクロレンズ99およびマイクロレンズ100の焦点近傍に置くことで、画素93の像98および画素92の像97が結像される位置を大きく変化させることができる。
ここで屈折率変化媒質として液晶または液晶の混合物、または光電気効果を示す材料が使用できる。
【0021】
【実施例2】
(表示装置と素子アレイの変換)
図10は本発明に係る立体表示装置第2の実施例の構成図である。実施例2として、表示装置と焦点距離可変素子アレイの設置順番を変更した例を示す。
図面左側より平行光または広がりを持った光103を、焦点距離可変素子アレイ101に入力し、各レンズの焦点距離を奥行き情報にしたがって変化させ、そのレンズからの出力光を、透過型の2次元表示部102、たとえば液晶表示部の各画素に入射し、光の強度や色を変調し出力する。この場合も実施例1と同様に、各画素ごとに空間上に像を形成することができる。
【0022】
【実施例3】
(フーリエ光学系)
図11は本発明による立体表示装置第3の実施例を示す構成図である。
実施例3は、二次元表示部111と焦点距離可変素子アレイ114の間に第1レンズ系112を具え、焦点距離可変素子アレイ114と観察者118との間に第2レンズ系113を具える。この時、二次元表示部111と第1レンズ系112の間隔、および第1レンズ系112と焦点距離可変素子アレイ114間は、第1レンズ系の焦点距離flとほぼ同じに配置してある。また、焦点距離可変素子アレイ114と第2レンズ系113との間は、第2レンズ系の焦点距離f2とほぼ同じに配置してある。
このような配置をとることで、再生像の結像に伴なう歪みがなくなる。また像の再生位置を観察者118に近い位置に表示した場合と遠い位置に再生した場合で、再生像117と再生像116の結像倍率を同じにすることが出来る。
【0023】
【実施例4】
(視角の拡大)
図12は本発明に係る立体表示装置の第4の実施例を示す構成図である。
実施例4は、二次元表示部および焦点距離可変素子アレイ120と観察者128の間に光学系121を具えている実施例である。
二次元表示部および焦点距離可変素子アレイを通過し、出力する光122が、像を結ぶ再生像点126における視角123を光学系121で拡大し、大きな視角124をもつ再生像点127を得るようになっている。
【0024】
【実施例5】
(ファントム効果の解消)
図13で、奥行き標本化方式による立体表示を行う際生じるファントム現象についての説明を行う。
本来、観察者の手前にある物体の陰になり、後ろの物体は隠れてみえないものである。しかし、図13(a)のように奥行き標本化立体表示を行い、再生像113と再生像134を視点135から観測すると、奥の再生像133が手前の再生像134を透けて見えてしまう。
【0025】
図14は本発明に係る立体表示装置の第5の実施例を示す構成図である。
この実施例は前記ファントム現象により奥の像が手前の像を透けてみえないようにするためのものである。構成は焦点距離可変素子アレイを構成する各焦点距離可変素子142ごとに、画素からの光143を任意の形状に遮光する遮光部141を有している。遮光部で適当な形状に遮光することで焦点距離可変素子142からの出力光146の広がり方向が制御できる。再生像点143を表示する際、遮光領域147を設定すると、視点144から再生像点143は観察されず、手前の再生像148の陰に隠れた状態と認識される。また、視点145の位置に移動すると、再生像点143が観察できるようになる。
【0026】
(電気光学媒質)
屈折率可変媒質として以上液晶に関して説明を行ったが、電気光学効果を持つPLZTのような媒質を用いた焦点距離可変素子も本立体表示装置に適用できる。
以上いくつかの実施例により本願発明の実施の形態を詳細に説明してきたが、本願発明はこれらに限定されることなく、特許請求の範囲に規定された発明の要旨内で各種の変形、変更の可能なことは自明であろう。
【0027】
【発明の効果】
本発明により、次のような特長を持つ立体表示装置が実現できる。
第1に従来の視差画像による立体表示装置に生じる視覚疲労を伴わない、自然な立体視が可能である。
第2に、特殊なメガネが不要である。
第3に、水平方向と垂直方向の両方の立体視が可能である。
第4に、従来実用化されている二次元表示装置がそのまま利用できる。
第5に、インコヒーレント光で立体表示が可能であるため、カラーの二次元表示装置を使用すると、カラー立体像が表示できる。
第6に、本方式は空間分割し奥行き標本化を行うので、時分割表示のように画像を順次高速に表示する必要がないため、フリッカがなく、高輝度の立体表示が可能となる。
第7に、複数人数での立体観察が可能である。
第8に、本立体方式に表示に必要な情報は、二次元カラー画像と奥行き距離情報であるため、これらの情報は被写体より動画撮像が可能である。また、情報量が少ないため、伝送が容易で、立体TVシステムへの応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明立体装置第1の実施例の構成を示す。
【図2】 本発明装置焦点距離可変素子の断面を示す。
【図3】 本発明装置焦点距離可変素子の電極構造図で、(a)は穴型電極形状を、(b)はリング型電極形状を示す。
【図4】 本発明装置焦点距離可変素子の基板構造図で、(a)は単レンズ状基板、(b)はフレネルレンズ状基板、(c)はグレーティングレンズ状基板、(d)はレンチキュラレンズ状基板をそれぞれ示す。
【図5】 本発明装置焦点距離可変素子の1例である液晶焦点距離可変素子の構成断面を示す。
【図6】 図5図示液晶焦点距離可変素子の動作原理図で、(a)はその素子構造図、(b)は印加電圧零、(c)は印加電圧の低い場合および(d)は印加電圧の高い場合をそれぞれ示す。
【図7】 前記液晶焦点距離可変素子の他の例の動作原理図で、(a)は印加電圧がオフ、(b)は印加電圧オンの場合を示す。
【図8】 本発明装置焦点距離可変素子アレイの構成例を示す。
【図9】 図8の焦点距離可変素子アレイの別の構成例を示す。
【図10】 本発明装置第2の実施例の構成を示す。
【図11】 本発明装置第3の実施例の構成を示す。
【図12】 本発明装置第4の実施例の構成を示す。
【図13】 ファントム効果解消を説明する図である。
【図14】 本発明装置第5の実施例の構成を示す。
【図15】 従来の二眼立体表示方式を説明する図を示す。
【図16】 従来の液晶を用いた奥行き標本化立体表示方式を説明する図を示す。
【符号の説明】
11,83,91,102,111 二次元画像表示部
13,81,90,101,114 焦点距離可変素子アレイ
14a,14b,132,142 焦点距離可変素子
15a,15b 結像点
16 奥行き検出部
17 奥行き位置情報
18 焦点距離制御部
19 観察者
20 立体像
21,31,54,55,73,95 透明電極
26,41−44,52,53,67,68,71,72,94 基板
27,45,96 屈折率変化媒質
32 透明電極なし
51 液晶または液晶混合物
56,69,74 配向膜
57 スペーサ
63 液晶
64,74 液晶分子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional display device that displays a moving image three-dimensional image that does not require eyeglasses for observation and has little visual fatigue.
[0002]
[Prior art]
Many methods have been proposed and developed for stereoscopic display.
As a general stereoscopic display device, there is a binocular stereoscopic display system as shown in FIG. This is a system that uses two parallax images, a left-
This method has a feature that it is possible to easily perform stereoscopic display with a relatively small amount of information. However, when observing the reproduced
[0003]
For displaying a stereoscopic image with little visual fatigue, a method of reproducing a stereoscopic image in space is effective. This method includes a hologram display method and a depth sampling method.
Holograms have the potential for natural 3D display, but they require information on the subject's interference fringes, the amount of information is enormous, and the display device must be very high-definition. There is a problem.
[0004]
On the other hand, in the depth sampling method, a two-dimensional cross-sectional image at each depth position of an object is volumetrically displayed in space. In this method, a three-dimensional image having a depth is reproduced in a three-dimensional space, so that the convergence distance and the focal length match, there is little fatigue, and a natural three-dimensional image that matches the movement of the observation position can be observed. .
This depth sampling method includes a varifocal mirror method that displays images on a vibrating mirror and displays a three-dimensional image, a moving screen method in which the screen moves mechanically at high speed, and a method that uses a rotating spiral screen. . In addition, a method using a liquid crystal display device and having no mechanical drive unit has been developed. For example, there is a method in which a large number of liquid crystal panels are arranged and an image displayed on a CRT is reflected by a panel at an appropriate depth of the stacked liquid crystal panels to display the image volumetrically.
[0005]
FIG. 16 shows an example of a depth sampling method using liquid crystal. The
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the depth sampling method described above is a time division method in which depth images are sequentially displayed. Therefore, flicker is perceived if the stereoscopic image display is not completed within the afterimage time of the eyes. On the other hand, when the display time of one cross-sectional image is shortened, the luminance of the image is lowered. In addition, a special display device that displays many depth images at high speed within the video rate time is required.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a stereoscopic display device capable of preventing a degradation in image quality of depth sampling display due to the above time division and displaying a natural moving image stereoscopic image without visual fatigue using a conventional two-dimensional image display unit. Is intended to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the stereoscopic display device according to the present invention has at least the same number of pixels as the number of pixels of the image of the two-dimensional display unit, and the two-dimensional display unit that displays a moving image and the focal length variable element that can control the focal length. And a focal length control unit that controls the focal length of each focal length variable element constituting the focal length variable element array at high speed based on the depth position information of the subject. And passing incoherent light emitted from each pixel of the image of the two-dimensional display section through the focal length variable element array whose focal length is controlled independently, so that the image of each pixel is in space. It is characterized in that the image is formed at the image point and displayed in three dimensions .
[0008]
Further, the focal length variable element may have a structure in which a refractive index changing medium whose refractive index is changed by an electric field is sandwiched between substrates having transparent electrodes. When a voltage is applied between the electrodes, the refractive index changes. It may have an electrode structure in which the refractive index distribution of the medium becomes the phase distribution of the lens, and when a voltage is applied between the electrodes, the refractive index distribution of the refractive index changing medium becomes the phase distribution of the lens. It may have a substrate shape with a certain curvature, and when a voltage is applied between the electrodes, an electrode having a resistivity distribution such that the refractive index distribution of the refractive index changing medium becomes the phase distribution of the lens. You may have, and it may be comprised from the combination of the thing of the structure which can vary an optical path length with an applied electric field, and a lens.
[0009]
In the stereoscopic display device, before or after the focal length variable element, a lens system that functions to eliminate the distortion of the reproduced image and make the imaging magnification constant may be combined, or the focal length may be combined. It may have an optical system that functions to widen the viewing angle with respect to the output light flux from the variable element array, and each focal length variable element blocks the light in an arbitrary shape to eliminate the phantom effect. You may have the light-shielding part.
Furthermore, the refractive index changing medium may be a medium having an electro-optic effect, and may be a liquid crystal or a mixture containing liquid crystal.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to the present invention, since the device according to the present invention is a space division method for controlling the image formation position for each pixel, it is possible to prevent flicker and luminance reduction caused by the time division method. It can be used to display natural 3D video images.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0011]
【Example】
(Whole system)
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a stereoscopic display device according to the present invention.
The two-dimensional image display unit 11 of this embodiment is capable of monochrome or color moving image display such as a CRT, a liquid crystal display unit, a plasma display unit, an LED display unit, a projector projection unit, or a laser scanning display unit.
Further, when the image is not a real image such as computer graphics, depth position information given by calculation can be used.
In accordance with the
[0012]
(Basic electrode configuration)
FIG. 2 is a cross-sectional view of the focal length variable element of the stereoscopic display device according to the present invention.
A refractive
[0013]
(Special electrode shape)
FIG. 3 shows an electrode structure diagram of the focal length variable element of the stereoscopic display device according to the present invention.
The
For example, the electrode structure has a circular center and a hole as shown in FIG.
It has a ring-shaped structure as shown in FIG. The electrodes having these shapes are made to face the electrodes attached to the entire surface of the substrate, or these shapes are made to face each other to form a focal length variable element.
[0014]
(Substrate shape)
FIG. 4 is a substrate structure diagram of the focal length variable element of the stereoscopic display device according to the present invention.
A structure in which the substrate has a lens-like curved surface can be used. For example, the
[0015]
(Resistance distribution)
In addition, a variable focus element having a structure in which a refractive index changing medium is sandwiched between electrodes having different resistance values within the electrode plane, for example, electrodes having different resistance values at the center and the peripheral portion of the electrode can also be used in this stereoscopic display device. .
[0016]
(liquid crystal)
FIG. 5 shows a configuration diagram of a variable focal length liquid crystal lens using liquid crystal or a
As the liquid crystal material, nematic liquid crystal, cholesteric liquid crystal, smectic liquid crystal, a mixture of these liquid crystals, a composite of liquid crystal and a polymer polymer, or the like is used. Using a liquid crystal with a large difference between ordinary refractive index and extraordinary refractive index (large refractive index anisotropy), a large refractive index change can be obtained even when the liquid crystal layer is thin, and response speed is increased and driving is performed. The voltage can be reduced.
For the liquid crystal that requires alignment processing, a
[0017]
(Liquid crystal lens operating principle, electrode structure)
FIG. 6 shows an example of a focal length variable element using liquid crystal, and the operation principle will be described.
A case will be described in which a circular
FIG. 6B is a diagram when no voltage is applied, and the
FIG. 6C is a diagram when a weak voltage is applied between the electrodes. Since the
When a strong voltage is applied between the electrodes, the liquid crystal molecules are aligned in the electric field direction at the hole electrode central portion 65 (FIG. 6D). In the hole electrode
By changing the applied voltage in this way, the refractive index distribution changes and the focal length can be changed.
In addition, when a two-frequency driving liquid crystal whose orientation direction changes depending on the frequency change, the alignment of the liquid crystal can be controlled by changing the driving frequency, and relatively high-speed modulation is possible.
By using such a circular hole shape or ring shape for the electrode structure, it is possible to produce a focal length variable element having a diameter of several tens of μm or less, which can be applied to a stereoscopic display having high-definition minute pixels. Is possible.
[0018]
(Liquid crystal lens operating principle, substrate structure)
FIG. 7 shows another example of the liquid crystal focal length variable liquid crystal lens, and the operation principle will be described.
Here, a case where a substrate having a lens shape is used as the
A
Thus, the merit of using a substrate having a curvature is that a large focal length variable element having a diameter of several cm or more can be manufactured. For this reason, it is possible to configure a variable focal length element in which one pixel is large in a large screen size stereoscopic display device.
[0019]
(Configuration of variable focal length element array)
FIG. 8 is a configuration diagram of the focal length variable element array. The focal length
[0020]
(Optical path length modulation microlens)
FIG. 9 shows another configuration example of the focal length variable element array.
A structure in which a refractive
By placing the refractive index changing medium in the vicinity of the focal points of the
Here, liquid crystal, a mixture of liquid crystals, or a material exhibiting a photoelectric effect can be used as the refractive index changing medium.
[0021]
[Example 2]
(Conversion of display device and element array)
FIG. 10 is a configuration diagram of a second embodiment of the stereoscopic display device according to the present invention. As Example 2, an example in which the installation order of the display device and the focal length variable element array is changed is shown.
From the left side of the drawing, parallel light or spread light 103 is input to the focal length
[0022]
[Example 3]
(Fourier optics)
FIG. 11 is a block diagram showing a third embodiment of the stereoscopic display device according to the present invention.
The third embodiment includes a
By taking such an arrangement, distortion associated with the formation of the reproduced image is eliminated. Further, when the image reproduction position is displayed at a position close to the
[0023]
[Example 4]
(Expansion of viewing angle)
FIG. 12 is a block diagram showing a fourth embodiment of the stereoscopic display device according to the present invention.
Example 4 is an example in which an
The light 122 passing through and outputting the two-dimensional display unit and the variable focal length array expands the
[0024]
[Example 5]
(Resolve the phantom effect)
The phantom phenomenon that occurs when performing stereoscopic display by the depth sampling method will be described with reference to FIG.
Originally, it is behind the object in front of the observer, and the object behind cannot be hidden. However, when depth-sampled stereoscopic display is performed as shown in FIG. 13A and the reproduced
[0025]
FIG. 14 is a block diagram showing a fifth embodiment of the stereoscopic display device according to the present invention.
This embodiment is intended to prevent the back image from seeing through the near image due to the phantom phenomenon. The configuration includes a
[0026]
(Electro-optic medium)
Although the liquid crystal has been described above as the refractive index variable medium, a focal length variable element using a medium such as PLZT having an electro-optic effect can also be applied to the stereoscopic display device.
The embodiments of the present invention have been described in detail with reference to some examples. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the invention defined in the claims. It is obvious that this is possible.
[0027]
【The invention's effect】
According to the present invention, a stereoscopic display device having the following features can be realized.
First, natural stereoscopic vision without visual fatigue that occurs in a conventional stereoscopic display device using parallax images is possible.
Second, special glasses are not required.
Third, stereoscopic viewing in both the horizontal and vertical directions is possible.
Fourth, a two-dimensional display device that has been put into practical use can be used as it is.
Fifth, since stereoscopic display is possible with incoherent light, a color stereoscopic image can be displayed when a color two-dimensional display device is used.
Sixth, since this method performs space sampling and depth sampling, there is no need to sequentially display images at high speed as in time-division display, so that there is no flicker and high-intensity stereoscopic display is possible.
Seventh, stereoscopic observation with a plurality of people is possible.
Eighth, since the information necessary for display in this stereoscopic method is a two-dimensional color image and depth distance information, it is possible to capture a moving image from the subject. In addition, since the amount of information is small, transmission is easy and application to a stereoscopic TV system is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the configuration of a first embodiment of the three-dimensional apparatus of the present invention.
FIG. 2 shows a cross section of the device focal length variable element according to the present invention.
3A and 3B are electrode structure diagrams of the focal length variable element according to the present invention, in which FIG. 3A shows a hole electrode shape, and FIG. 3B shows a ring electrode shape;
4A and 4B are substrate structure diagrams of the focal length variable element of the present invention, in which FIG. 4A is a single lens substrate, FIG. 4B is a Fresnel lens substrate, FIG. 4C is a grating lens substrate, and FIG. 4D is a lenticular lens. Each substrate is shown.
FIG. 5 shows a cross section of a liquid crystal focal length variable element which is an example of the apparatus focal length variable element according to the present invention.
6A and 6B are operation principle diagrams of the liquid crystal focal length variable element shown in FIG. 5, in which FIG. 5A is a diagram of the element structure, FIG. 5B is zero applied voltage, FIG. 5C is a case where the applied voltage is low, and FIG. Each case shows a high voltage.
7A and 7B are operation principle diagrams of another example of the liquid crystal focal length variable element, in which FIG. 7A shows the case where the applied voltage is off, and FIG. 7B shows the case where the applied voltage is on.
FIG. 8 shows a configuration example of an apparatus focal length variable element array according to the present invention.
FIG. 9 shows another configuration example of the focal length variable element array in FIG. 8;
FIG. 10 shows a configuration of a second embodiment of the device of the present invention.
FIG. 11 shows a configuration of a third embodiment of the device of the present invention.
FIG. 12 shows a configuration of a fourth embodiment of the device of the present invention.
FIG. 13 is a diagram for explaining phantom effect cancellation.
FIG. 14 shows a configuration of a fifth embodiment of the device of the present invention.
FIG. 15 is a diagram illustrating a conventional binocular stereoscopic display method.
FIG. 16 is a diagram illustrating a depth sampling stereoscopic display method using a conventional liquid crystal.
[Explanation of symbols]
11, 83, 91, 102, 111 Two-dimensional
Claims (11)
焦点距離を制御できる焦点距離可変素子を、少なくとも前記二次元表示部の画像の画素数と同じ個数だけ配置された構造を持つ、焦点距離可変素子アレイと、
該焦点距離可変素子アレイを構成する各焦点距離可変素子の焦点距離を、被写体の奥行き位置情報に基づいて高速に制御する焦点距離制御部とを具備し、
前記二次元表示部の画像の各画素から出射されたインコヒーレント光を、独立に焦点距離が制御された前記焦点距離可変素子アレイを通過させ、各画素の像を空間中の結像点に結像させて、立体表示させることを特徴とする立体表示装置。A two-dimensional display for displaying moving images;
A focal length variable element array having a structure in which the focal length variable element capable of controlling the focal length is arranged at least as many as the number of pixels of the image of the two-dimensional display unit, and
A focal length control unit that controls the focal length of each of the focal length variable elements constituting the variable focal length element array at high speed based on the depth position information of the subject ,
The incoherent light emitted from each pixel of the image of the two-dimensional display unit is passed through the variable focal length array whose focal length is controlled independently, and the image of each pixel is connected to an image formation point in space. A stereoscopic display device characterized in that the image is displayed in a stereoscopic manner .
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