JP4980748B2 - 立体像および平面像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、インテグラル式立体像と平面像の両方を切り替えて表示することが可能な立体像および平面像表示装置に関する。

立体像の表示技術としてインテグラル式（インテグラルフォトグラフィ）が知られている。以下、インテグラル式による立体像表示の原理を説明する。図９（ａ）に示すように、インテグラル式では撮影時に撮像面９１０の前に多数の凸レンズ７０からなるレンズアレイが置かれる。十分遠方の被写体９００を撮影すると、凸レンズ７０の数に応じた多数の小さな要素画像９２０（倒立像）が撮像面９１０に撮影される。

立体像の再生時には、要素画像９２０からなる要素画像群が表示面９３０に与えられ、背面から拡散光で照明される。このとき、表示面９３０から発せられた光が撮影時と同じ経路を通ることから、元の位置に立体像９４０が再現される。しかし、このままでは奥行き（凹凸）が反転する逆視となり不都合であるため、要素画像を点対称の位置に変換（凹凸変換）することが必要である。つまり、十分遠方の被写体に対して正立の要素画像を得ればよい。図１０は、奥行き反転像となっている要素画像１０００に対して凹凸変換を施すことによって、奥行き反転を解消した要素画像１０１０が得られる様子を示している。

上述したインテグラル式による従来の立体像の表示技術に関して特許文献１には、インテグラル式による立体像と平面像を切り替えて表示することが可能な画像表示装置が記載されている。この特許文献１には、機械的に表示素子とレンズアレイの距離を変更することによって立体像と平面像を切り替える方法が記載されている。また、特許文献１には、立体像用の表示素子と平面像用の表示素子を別個に用意し、各表示素子の透明状態と不透明状態を切り替えることによって立体像と平面像を切り替える方法も記載されている。
特開平１０−２２７９９５号公報

上記のように機械的に表示素子とレンズアレイの距離を変更することによって立体像と平面像を切り替えることも可能であるが、表示素子とレンズアレイの距離の設定精度が悪く、立体像の画質が低下するという問題がある。したがって、表示素子とレンズアレイの位置を変更せずに立体像と平面像を切り替える方法を用いることが望ましい。この方法として特許文献１には、表示素子の透明状態と不透明状態を切り替えることによって立体像と平面像を切り替える方法が記載されているが、特許文献１は液晶ディスプレイのような直視型の画像表示技術に関するものであり、画像投射装置から画像を投射する投射型の画像表示技術において立体像と平面像を切り替えて表示することは実現されていない。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、インテグラル式立体像と平面像の両方を切り替えて表示することができる投射型の立体像および平面像表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、蛇行する光路の１周期の２分の１を超え１周期未満の長さを有すると共に半径方向に所定の屈折率分布を有する要素レンズからなるレンズアレイと、インテグラル式立体像を表示するための要素画像および平面像を表示するための画像を投射する画像投射装置と、前記画像を結像させる位置を、前記要素レンズの前記画像投射装置側の焦点位置、又は、前記要素レンズの前記画像投射装置側の端面から所定距離だけ離れた位置のいずれか一方に切り替える切替部と、光を拡散する拡散状態と光を透過する透過状態とを切り替え可能であって、前記要素レンズの前記画像投射装置側と反対側の端面から前記所定距離だけ離れた位置に設置されたスクリーンと、を備え、前記焦点位置に前記画像投射装置からの前記インテグラル式立体像の要素画像を結像させることにより立体像を形成する第１の状態と、前記要素レンズの前記画像投射装置側の端面から所定距離だけ離れた位置に前記画像投射装置からの前記平面像を表示するための画像を結像させて前記要素レンズの前記画像投射装置側と反対側の端面から前記所定距離だけ離れた位置に正立等倍像を結像させることにより平面像を形成する第２の状態とを切り替え、前記インテグラル式立体像の表示時には前記スクリーンの状態を前記透過状態に設定し、前記平面像の表示時には前記スクリーンの状態を前記拡散状態に設定することを特徴とする立体像および平面像表示装置である。

また、本発明の立体像および平面像表示装置において、前記要素レンズが、前記蛇行する光路の１周期の４分の３の長さを有することを特徴とする。

また、本発明の立体像および平面像表示装置は、光を拡散する拡散状態と光を透過する透過状態とを切り替え可能であって、前記要素レンズの前記画像投射装置側の焦点位置に設置されたスクリーンをさらに備え、前記インテグラル式立体像の表示時には前記スクリーンの状態を前記拡散状態に設定し、前記平面像の表示時には前記スクリーンの状態を前記透過状態に設定することを特徴とする。

また、本発明の立体像および平面像表示装置は、光を拡散する拡散状態と光を透過する透過状態とを切り替え可能であって、前記要素レンズの前記画像投射装置側と反対側の端面から前記所定距離だけ離れた位置に設置されたスクリーンをさらに有し、前記インテグラル式立体像の表示時には前記スクリーンの状態を前記透過状態に設定し、前記平面像の表示時には前記スクリーンの状態を前記拡散状態に設定することを特徴とする。

また、本発明の立体像および平面像表示装置は、光を拡散する拡散状態と光を透過する透過状態とを切り替え可能であって、前記要素レンズの前記画像投射装置側の端面から前記所定距離だけ離れた位置に設置されたスクリーンをさらに有し、前記インテグラル式立体像の表示時には前記スクリーンの状態を前記透過状態に設定し、前記平面像の表示時には前記スクリーンの状態を前記拡散状態に設定することを特徴とする。

本発明によれば、画像投射装置から投射される要素画像の結像位置を変更し、立体像を形成する第１の状態と平面像を形成する第２の状態とを切り替えることによって、インテグラル式立体像と平面像の両方を切り替えて表示することができるという効果が得られる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。まず、本実施形態で使用するレンズアレイを構成する要素レンズを説明する。十分遠方の被写体に対して正立の要素画像を得る手法として、本発明者は、半径方向に所定の屈折率分布を有する屈折率分布レンズを用いる手法（特許第３８３６５５０号公報を参照）を発明した。

以下の（１）式に示すように屈折率分布レンズは、近似的に、半径方向に屈折率が変化し、中心で屈折率が最大となり、外側ほど２乗則に従って屈折率が減少する（言い換えると、外側から中心へ向かって屈折率が増加する）特性を有する。ただし、ｎ_０は中心軸上の屈折率、Ａは要素レンズの材料によって定まる屈折率分布定数、ｒは中心からの半径方向の距離である。

図５に示すように、屈折率分布レンズによる要素レンズ２０の長さを、蛇行する光路の周期Ｐの４分の３倍とすることで、十分遠方の被写体に対して正立の要素画像を得る手法が実現できる。この手法では、要素レンズ２０から十分遠方に位置する被写体５００に対して、要素レンズ２０の出射端面に正立の実像５１０が得られる。撮影時にはこの出射端面に撮影面を配置すればよい。

図６（ａ）に示すように、複数の要素レンズ２０からなるレンズアレイ２の出射端面に撮影面６１０を配置し被写体６００を撮影すると、撮影面６１０に正立の要素画像６２０が得られる。表示時には、図６（ｂ）に示すように、複数の凸レンズ７０からなるレンズアレイと表示面６３０を配置し、表示面６３０に要素画像６４０を与えると、奥行きが反転することなく、正しい立体像を得ることができる。

また、以下のようにすることも可能である。図７（ａ）に示すように、複数の凸レンズ７０からなるレンズアレイと撮影面７１０を配置し被写体７００を撮影すると、奥行きが反転した要素画像７２０が撮影面７１０に得られる。表示時には、図７（ｂ）に示すように、蛇行する光路の周期の４分の３倍の長さを有する複数の要素レンズ２０からなるレンズアレイ２と表示面７３０を配置し、奥行きが反転した要素画像７４０を表示面７３０に与えると、奥行きが反転することなく、正しい立体像を得ることができる。

次に、本実施形態による立体像および平面像表示装置の構成を説明する。図１は立体像および平面像表示装置の斜視図であり、図２は側面図である。画像投射装置１は、インテグラル式立体像を表示するための要素画像および平面像（図２の表示画像２００）を表示するための画像を投射する。レンズアレイ２は、複数の要素レンズ２０を２次元配置して構成されている。

スクリーン３，４，５は、光を拡散する拡散状態と光を透過する透過状態とを切り替えることが可能なスクリーンである。スクリーン３，４，５として例えば液晶パネルを用いることが可能である。スクリーン３は要素レンズ２０の画像投射装置１側の焦点位置に設置される。スクリーン３は、立体像の表示時には拡散状態に設定され、平面像の表示時には透過状態に設定される。

スクリーン４は要素レンズ２０の画像投射装置１側と反対側の端面から所定距離だけ離れた位置に設置される。スクリーン４は、立体像の表示時には透過状態に設定され、平面像の表示時には拡散状態に設定される。スクリーン５は要素レンズ２０の画像投射装置１側の端面から上記の所定距離と同じ距離だけ離れた位置に設置される。スクリーン５は、立体像の表示時には透過状態に設定され、平面像の表示時には拡散状態に設定される。スクリーン３，４，５を設置することは必須ではないが、スクリーン３，４，５を設置することがより望ましい。この理由は後述する。

切替手段６は、立体像を表示するか平面像を表示するかに応じて、スクリーン３，４，５の拡散状態と透過状態を切り替える。後述するように、立体像の表示時と平面像の表示時とで画像投射装置１のフォーカス設定が異なるが、立体像を表示するか平面像を表示するかに応じて切替手段６が画像投射装置１のフォーカスを切り替えるようにしてもよい。

次に、立体像を表示する方法を説明する。本実施形態に適用する立体像の表示原理は図７に示した通りである。図３は立体像表示におけるスクリーン３，４，５の状態（スクリーン３は拡散状態、スクリーン４，５は透過状態）を示している。立体像の表示時には、要素レンズ２０の画像投射装置１側の焦点位置に要素画像が結像するように画像投射装置１のフォーカスが設定される。要素レンズ２０の長さを、蛇行する光路の周期の４分の３倍とすると、焦点位置は要素レンズ２０の端面となる。つまり、焦点位置Ｌ_ｇを要素レンズ２０の画像投射装置１側の端面からの距離で表すと、Ｌ_ｇ＝０となる。

スクリーン３が設置されていない場合、画像投射装置１からの要素画像の光が拡散せずに要素レンズ２０に入射するため、観察者が立体像を観察した場合に、画像投射装置１あるいはその光源が見えて、妨害になる。これを避けるために、要素画像の結像位置（要素レンズ２０の画像投射装置１側の焦点位置）にスクリーン３を設置し、立体像の表示時にはスクリーン３を拡散状態に設定することが望ましい。

次に、平面像を表示する方法を説明する。図４は平面像表示におけるスクリーン３，４，５の状態（スクリーン３は透過状態、スクリーン４，５は拡散状態）を示している。平面像の表示時には、要素レンズ２０の画像投射装置１側の端面から以下の（２）式で表される距離Ｌ_ｅだけ離れた位置に平面像が結像するように画像投射装置１のフォーカスが設定される。

要素レンズ２０の長さを、蛇行する光路の周期の４分の３倍としているため、観察者側の端面から上記の（２）式で表される距離Ｌ_ｅだけ離れた位置に要素レンズ２０の正立等倍像が形成される。１つの要素レンズ２０は平面像のごく一部を投影するのみだが、各要素レンズ２０が形成する正立等倍像が多少重なり合うことによって、全体として、レンズアレイ２の画像投射装置１側に結像された平面像が観察者側で再度形成される。

図８はこの様子を示している。図８（ａ）の平面像８００は、画像投射装置１から投影された平面像である。要素レンズ２０の配列が図８（ｂ）に示す配列となっている場合、図８（ｃ）に示すように、各要素レンズ２０の光学像８１０が重なり合うことによって、平面像８２０が復元される。この原理はファクシミリ等で使用されている。

観察者が、要素レンズ２０の観察者側の端面から距離Ｌ_ｅだけ離れた位置に形成された平面像を目視することは可能であるが、要素レンズ２０の配列構造が視覚的な妨害となる恐れがある。これを避けるために、観察者側の平面像形成位置にスクリーン４を設置し、平面像の表示時にはスクリーン４を拡散状態に設定することが望ましい。

また、画像投射装置１側に形成される平面像は空中像となり、画像投射装置１の投射レンズの焦点深度に依存して結像位置が奥行き方向（図４の水平方向）に分布する像分布を有するようになる。この像分布を明確な像分布にするために、要素レンズ２０の画像投射装置１側の端面から（２）式で表される距離Ｌ_ｅだけ離れた位置にスクリーン５を設置し、平面像の表示時にはスクリーン５を拡散状態に設定することが望ましい。

本実施形態における要素レンズ２０は、十分遠方（焦点距離より遠方）に像を表示した場合に正立像を提供できればよく、要素レンズ２０の長さｚは、蛇行する光路の周期の４分の３倍に限らず、１周期の２分の１を超え１周期未満の長さであればよい。要素レンズ２０の長さｚが１周期の４分の３倍以外である場合、立体像の要素画像の結像位置は要素レンズ２０の端面にならず、端面から以下の（３）式で表される距離Ｌ_ｇだけ離れた位置となる。

この場合、不要な視域のサイドローブが生じるが、それを許容できる用途では適用可能である。また、平面像表示における要素レンズ２０の画像投射装置１側の平面像結像位置（正立等倍像を形成できる位置）は要素レンズ２０の画像投射装置１側の端面から以下の（４）式で表される距離Ｌ_ｅだけ離れた位置となる。

立体像を表示する場合において、撮影時に十分遠方の被写体の正立像として要素画像を得る場合には、表示時に倒立像に変換することが必要となる。倒立像への変換方法はどのようなものでもよく、例えば要素画像毎に要素画像の中心に対して点対称となるように信号処理を行う方法を用いればよい。

上述したように、本実施形態によれば、画像投射装置１から投射される要素画像および平面像表示用画像の結像位置を変更し、立体像を形成する状態と平面像を形成する状態とを切り替えることによって、立体像と平面像の両方を切り替えて表示することができる。また、立体像表示と平面像表示の切替時に画像投射装置１とレンズアレイ２の機械的な位置変更を伴わないので、表示画像の画質を低下させることなく切替を行うことができる。

また、要素レンズ２０の長さを、蛇行する光路の１周期の４分の３とした場合には、サイドローブの発生を防止することができる。さらに、スクリーン３の設置位置である要素レンズ２０の画像投射装置１側の焦点位置が要素レンズ２０の画像投射装置１側の端面となるため、スクリーン３の位置決めを容易に行うことができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の一実施形態による立体像および平面像表示装置の斜視図である。 本発明の一実施形態による立体像および平面像表示装置の側面図である。 本発明の一実施形態における立体像の表示状態を示す側面図である。 本発明の一実施形態における平面像の表示状態を示す側面図である。 本発明の一実施形態における要素レンズを示す参考図である。 撮影側で奥行き反転を解消した撮影および表示の様子を示す概念図である。 表示側で奥行き反転を解消した撮影および表示の様子を示す概念図である。 正立等倍像によって平面像が形成される様子を示す概念図である。 インテグラル式による立体像表示の原理を示す概念図である。 奥行き反転を解消するための要素画像の点対称変換の様子を示す概念図である。

符号の説明

１・・・画像投射装置、２・・・レンズアレイ、３，４，５・・・スクリーン、６・・・切替手段、２０・・・要素レンズ、７０・・・凸レンズ

Claims (1)

1. 蛇行する光路の１周期の２分の１を超え１周期未満の長さを有すると共に半径方向に所定の屈折率分布を有する要素レンズからなるレンズアレイと、
   インテグラル式立体像を表示するための要素画像および平面像を表示するための画像を投射する画像投射装置と、
   前記画像を結像させる位置を、前記要素レンズの前記画像投射装置側の焦点位置、又は、前記要素レンズの前記画像投射装置側の端面から所定距離だけ離れた位置のいずれか一方に切り替える切替部と、
   光を拡散する拡散状態と光を透過する透過状態とを切り替え可能であって、前記要素レンズの前記画像投射装置側と反対側の端面から前記所定距離だけ離れた位置に設置されたスクリーンと、
   を備え、
   前記焦点位置に前記画像投射装置からの前記インテグラル式立体像の要素画像を結像させることにより立体像を形成する第１の状態と、
   前記要素レンズの前記画像投射装置側の端面から所定距離だけ離れた位置に前記画像投射装置からの前記平面像を表示するための画像を結像させて前記要素レンズの前記画像投射装置側と反対側の端面から前記所定距離だけ離れた位置に正立等倍像を結像させることにより平面像を形成する第２の状態とを切り替え、
   前記インテグラル式立体像の表示時には前記スクリーンの状態を前記透過状態に設定し、前記平面像の表示時には前記スクリーンの状態を前記拡散状態に設定する
   ことを特徴とする立体像および平面像表示装置。

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