JP5839155B2 - 立体画像表示装置及び立体画像表示方法 - Google Patents

Description

本発明は、特殊な眼鏡を使用しない立体画像表示装置及び立体画像表示方法に関し、特に、立体画像の視認性を向上させ観察者の疲労の低減を図った立体画像表示装置及び立体画像表示方法に関する。

従来より、立体画像を表示することができる表示装置の検討が行われている。立体視については、紀元前２８０年にギリシャの数学者ユークリッドが、「立体視とは、同一物体の異なる方向から眺めた別々の映像を左右両眼が同時に見ることによって得られる感覚である」と考察している（例えば、非特許文献１（増田千尋著「３次元ディスプレイ」産業図書株式会社）参照。）。即ち、立体画像表示装置の機能としては、観察者の左右両眼に相互に視差がある画像を夫々独立して提示することが必要となる。

この機能を具体的に実現する方法として、多くの立体画像表示方式が検討されている。これらの立体画像表示方式は、眼鏡を使用する方式と眼鏡を使用しない方式に大別することができる。このうち、眼鏡を使用する方式には、色の違いを利用したアナグリフ方式、及び偏光を利用した偏光眼鏡方式等があるが、本質的に眼鏡をかける煩わしさを避けることができないため、近年では眼鏡を使用しない眼鏡なし方式の検討が盛んに行われている。

眼鏡なし方式には、レンチキュラレンズ方式及びパララックスバリア方式等がある。レンチキュラレンズ方式は、例えば前述の非特許文献１に記載されているように、Ｉｖｅｓ等により１９１０年頃に発明された。図９はレンチキュラレンズを示す斜視図であり、図１０はレンチキュラレンズを使用する立体表示方法を示す光学モデル図である。図９に示すように、レンチキュラレンズ２１は一方の面が平面となっており、他方の面には、一方向に延びるかまぼこ状の凸部（シリンドリカルレンズ）２２が、その長手方向が相互に平行になるように複数個形成されている。

そして、図１０に示すように、観察者側から順に、レンチキュラレンズ２１、表示パネル６、光源８が配置されており、レンチキュラレンズ２１の焦点面に表示パネル６の画素が位置している。表示パネル６においては、右眼４１用の画像を表示する画素２３と左眼４２用の画像を表示する画素２４とが交互に配列されている。このとき、相互に隣接する画素２３及び２４からなる群は、レンチキュラレンズ２１の各凸部２２に対応している。これにより、光源８から出射し各画素を透過した光は、レンチキュラレンズ２１の凸部２２により左右の眼に向かう方向に振り分けられる。これにより、左右の眼に相互に異なる画像を認識させることが可能となり、観察者に立体画像を認識させることが可能になる。

一方、パララックスバリア方式は、１８９６年にＢｅｒｔｈｉｅｒが着想し、１９０３年にＩｖｅｓによって実証された。図１１は、パララックスバリアを使用する立体画像表示方法を示す光学モデル図である。図１１に示すように、パララックスバリア５は、細い縦縞状の多数の開口、即ち、スリット５ａが形成されたバリア（遮光板）である。そして、このパララックスバリア５の一方の表面の近傍には、表示パネル６が配置されている。表示パネル６においては、スリットの長手方向と直交する方向に右眼用画素２３及び左眼用画素２４が交互に配列されている。また、パララックスバリア５の他方の表面の近傍、即ち、表示パネル６の反対側には、光源８が配置されている。

光源８から出射され、パララックスバリア５の開口（スリット５ａ）を通過し、右眼用画素２３を透過した光は、光束８１となる。同様に、光源８から出射され、スリット５ａを通過し、左眼用画素２４を通過した光は光束８２となる。このとき、立体画像の認識が可能となる観察者の位置は、パララックスバリア５と画素との位置関係により決定される。即ち、観察者の右眼４１は、複数の右眼用画素２３に対応する全ての光束８１の通過域内にあり、且つ、観察者の左眼４２は、全ての光束８２の通過域内にあることが必要となる。これは、図１１において、観察者の右眼４１と左眼４２との中点４３が図１１に示す四角形の立体可視域７内に位置する場合である。立体可視域７における右眼用画素２３及び左眼用画素２４の配列方向に延びる線分のうち、立体可視域７における対角線の交点７ａを通る線分が最も長い線分となる。このため、中点４３が交点７ａに位置するとき、観察者の位置が左右方向にずれた場合の許容度が最大となるため、観察位置としては最も好ましい。従って、この立体画像表示方法においては、この交点７ａと表示パネル６との距離を最適観察距離ＯＤとし、この距離で観察することを観察者に推奨している。なお、立体可視域７における表示パネル６からの距離が最適観察距離ＯＤとなる仮想的な平面を、最適観察面７ｂという。これにより、観察者の右眼４１及び左眼４２に夫々右眼用画素２３及び左眼用画素２４からの光が到達することになる。このため、観察者は表示パネル６に表示された画像を、立体画像として認識することが可能になる。

パララックスバリア方式は、当初考案された際には、パララックスバリアが画素と眼との間に配置されていたこともあり、目障りで視認性が低い点が問題であった。しかし、近時の液晶表示装置の実現に伴って、図１１に示すように、パララックスバリア５を表示パネル６の裏側に配置することが可能となって視認性が改善された。このため、パララックスバリア方式の立体画像表示装置については、現在盛んに検討が行われている。

パララックスバリア方式を用いて実際に製品化された例が、非特許文献２（２００３年１月６日発行 日経エレクトロニクスＮｏ．８３８、第２６〜２７頁 表１）に記載されている。これは３Ｄ対応液晶表示装置を搭載した携帯電話であり、立体表示装置を構成する液晶表示装置は、対角２．２インチ型の大きさで横方向に１７６ドット、縦方向に２２０ドットの表示ドット数を有する。そして、パララックスバリアの役割を果たす液晶パネルが設けられており、この液晶パネルをオン・オフすることにより、立体表示と平面表示を切り替えて表示することができる。この製品の製品カタログ及び取扱説明書によれば、立体表示時の最適観察距離は４００ｍｍとされている。即ち、液晶表示装置から４０ｃｍ離れた場所から観察することにより立体画像を視覚することができる。この従来の立体画像表示の平面表示時の表示精細度は縦方向、横方向共に１２８ｄｐｉであるが、立体表示時には前述のように左眼用画像と右眼用画像を縦ストライプ状に交互に配列して表示するため、横方向の精細度は、縦方向の精細度１２８ｄｐｉの半分である６４ｄｐｉとなっている。

増田千尋著「３次元ディスプレイ」産業図書株式会社 ２００３年１月６日発行 日経エレクトロニクスＮｏ．８３８（第２６〜２７頁 表１）

しかしながら、前述の従来の技術には、以下に示すような問題点がある。即ち、上述の従来製品の製品カタログ及び取扱説明書に記載されているように、立体画像の鑑賞は観察者の眼等に疲労を発生させるという問題点がある。即ち、観察者は長時間立体画像を観察することにより疲労する。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、観察者の疲労が少なく視認性が優れた立体画像表示装置及び立体画像表示方法を提供することを目的とする。

本発明に係る立体画像表示装置は、右眼用の画像を表示する画素と左眼用の画像を表示する画素とから構成される表示単位がマトリクス状に配列された表示パネルと、前記右眼用の画像を表示する画素から出射した光及び前記左眼用の画像を表示する画素から出射した光を相互に異なる方向に出射させる光学手段と、を有し、立体可視域を、観察者の右眼と左眼との中点を前記立体可視域内に位置させたときに前記右眼に前記右眼用の画像を表示する画素から出射した光が入射すると共に前記左眼に前記左眼用の画像を表示する画素から出射した光が入射する領域であると定義した場合に、前記立体可視域における前記表示パネルから最も遠い点と前記表示パネルとの間の距離をＤ（ｍｍ）とし、前記表示パネルにおける前記右眼用画素と前記左眼用画素との配列方向である一の配列方向における前記表示単位の精細度をＹ（ｄｐｉ）とし、前記一の配列方向に交差する他の配列方向における前記表示単位の精細度をＸ（ｄｐｉ）とするとき、前記距離Ｄ、精細度Ｘ及び精細度Ｙが下記数式１を満たすことを特徴とする。

（数１）
Ｘ≧２５．４／｛Ｄ×tan（１’）｝
Ｘ≧１７５
Ｘ：Ｙ＝２：１

本発明においては、複数の画素を含む表示単位の精細度（ｄｐｉ）を、インチとミリメートルとの換算定数である２５．４（ｍｍ／ｉｎｃｈ）を前記距離Ｄ（ｍｍ）と角度１分の正接（タンジェント）との積で除した値以上とすることにより、画素の配列周期を視力が１．０の観察者の最小視角以下とすることができる。なお、精細度とは長さ１インチ当りのドット数をいい、表示単位の配列周期の逆数に比例する数である。この結果、観察者が立体画像の特徴点を認識できなくなることを防止できる。これにより、立体画像の視認性が向上し、観察者の疲労を軽減することができる。また、立体静止画像のみならず立体動画像の視認性も向上することができる。

本発明者等は、上述の従来の技術における問題点を解決すべく鋭意実験研究を行い、立体画像の精細度と観察者の疲労との間に一定の関係があることを知見した。そして、この知見に基づいて本発明を完成した。

観察者が立体画像を認識する際に行う不可欠な処理の一部として、左右の画像における特徴点の対応を見出すことが挙げられる。文献「原島博監修「３次元画像と人間の科学」オーム社」に記載されているように、奥行きの知覚は、観察者が左右の画像において対応する特徴点を見つけだし、この特徴点の視差から奥行きを計算することにより行われていると考えられている。そして、本発明者等は、この事実に基づいて検討を重ね、観察者にとって、左右の画像において対応する特徴点の知覚が大幅に欠落すると、立体画像の視認性が著しく低下し、疲労することを突き止めた。即ち、左右の眼が相互に視差が異なる画像を視覚した場合に、観察者は対応する特徴点を探索する。この際に、前記画像において特徴点が大幅に欠落していると、左右の画像における対応が取れずに、観察者が混乱する。この混乱は、観察者に、左右の眼で観察した画像のうちどちらを優先させるかという両眼視野闘争を誘発する。両眼視野闘争が発生している状態は、両眼融合が不可能な不安定な状態であるために、立体画像の視認性が低下するとともに、観察者は疲労するのである。

従って、立体視を容易にし、観察者の疲労を低減するためには、左右の画像において対応する特徴点の欠落を防止すればよい。これにより、観察者は左右の画像において特徴点を容易に見出すことができるようになり、両眼視野闘争を防止でき、結果として両眼融合を容易に行うことができる。

そこで、本発明者等は、特徴点の欠落がどの程度まで許容できるかについて検討を行った。特徴点の欠落を完全に防止するためには、立体画像の精細度を観察者の視力による分解能以上にする必要がある。これにより、観察者が視覚できるはずの特徴点が、画像の精細度が低いために視覚できずに、特徴点の認識が欠落するという現象を避けることができる。観察者の視力とこの観察者が識別できる最小視角との関係は、下記数式２により与えられる。

（数２）
視力＝１／最小視角（分）

一般的な眼の視力は１．０であり、上記数式２から、視力が１．０である観察者の最小視角は１分、即ち、（１／６０）度である。そしてこの場合、観察距離Ｄ（ｍｍ）における観察者の分解能は、Ｄ×ｔａｎ（１（分））（ｍｍ）となる。従って、立体画像の精細度を２５．４／（Ｄ×ｔａｎ（１（分）））（ｄｐｉ）以上とすることにより、画像の基本周期が前記分解能よりも小さくなる。このため、観察者は、視覚できるはずの対応する特徴点を視覚でき、この結果、特徴点を認識することが容易になり、特徴点の欠落を防止できる。

また、本発明に係る立体画像表示方法は、表示パネルにマトリクス状に配列された複数の表示単位の各々を構成する２つの画素の内、一の画素が右眼用の画像を表示すると共に他の画素が左眼用の画像を表示し、光学手段が前記右眼用の画像を表示する画素から出射した光及び前記左眼用の画像を表示する画素から出射した光を相互に異なる方向に出射させ、観察者がその右眼と左眼との中点を立体可視域に位置させることにより、前記右眼に前記右眼用の画像を表示する画素から出射した光が入射すると共に前記左眼に前記左眼用の画像を表示する画素から出射した光が入射する立体画像表示方法において、前記中点と前記表示パネルとの距離をＤ（ｍｍ）とし、前記表示パネルにおける前記右眼用画素と前記左眼用画素との配列方向である一の配列方向における前記表示単位の精細度をＹ（ｄｐｉ）とし、前記一の配列方向に交差する他の配列方向における前記表示単位の精細度をＸ（ｄｐｉ）とするとき、前記距離Ｄ、精細度Ｘ及び精細度Ｙが上記数式１を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、立体画像の視認性を飛躍的に向上させ、観察者の疲労を低減することができ、特に、立体動画像の視認性を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態における立体画像表示方法を示す斜視図である。 本実施形態における立体画像表示装置の光学モデルを示す図であり、スリットの幅が無視できる程度に小さい場合を示す。 本実施形態における立体画像表示装置の光学モデルを示す図であり、スリットの幅が有限の値Ｑである場合を示す。 本実施形態に係る立体画像表示装置が搭載された携帯電話を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態における立体画像表示方法を示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態における立体画像表示装置の光学モデルを示す図であり、スリットの幅が無視できる程度に小さい場合を示す。 本実施形態における立体画像表示装置の光学モデルを示す図であり、スリットの幅が有限の値Ｑである場合を示す。 本発明の第５の実施形態における立体画像表示装置の光学モデルを示す図である。 レンチキュラレンズを示す斜視図である。 レンチキュラレンズを使用する立体表示方法の光学モデルを示す図である。 パララックスバリアを使用する立体画像表示方法の光学モデルを示す図である。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は本実施形態における立体画像表示方法を示す斜視図であり、図２及び図３は本実施形態における立体画像表示装置の光学モデルを示す図であり、図２はパララックスバリアのスリットの幅が無視できる程度に小さい場合を示し、図３はスリットの幅が有限の値Ｑである場合を示す。また、図４は本実施形態に係る立体画像表示装置が搭載された携帯電話を示す斜視図である。本実施形態においては、図１及び図２に示すように、立体画像表示装置２が設けられている。この立体画像表示装置２には、観察者側から順に、パララックスバリア５、表示パネル６及び光源８が設けられている。

光源８は、例えば、サイドライト（図示せず）及び導光板（図示せず）により構成されており、サイドライトが発した光を導光板により表示パネル６に向けて出射するものである。

また、表示パネル６は例えば透過型液晶表示パネルであり、その表示面は一辺が縦方向１１に延び他辺が横方向１２に延びた長方形状である。表示パネル６においては、複数の画素が縦方向１１及び横方向１２に沿ってマトリクス状に配列されている。この複数の画素のうち、一部は右眼用の画像を表示する右眼用画素２３となっており、残部は左眼用の画像を表示する左眼用画素２４となっている。そして、表示パネル６においては、右眼用画素２３及び左眼用画素２４からなる表示単位としての画素群が、縦方向１１及び横方向１２に沿ってマトリクス状に配列されている。即ち、右眼用画素２３及び左眼用画素２４が横方向１２に沿って交互に配列されており、右眼用画素２３は縦方向１１に沿って配列され、左眼用画素２４も縦方向１１に沿って配列されている。

更に、パララックスバリア５においては、各１列の右眼用画素２３の列及び左眼用画素２４の列からなる１対の列に対応して、１本のスリット５ａが形成されている。即ち、スリット５ａの長手方向は縦方向１１に延びており、スリット５ａの数は各１列の右眼用画素２３の列及び左眼用画素２４の列からなる対の数と同数であり、スリット５ａは相互に平行で、横方向１２に相互に間隔をおいて配列されている。なお、パララックスバリア５は例えば、ガラス板の表面に金属膜が形成されたものであり、スリット５ａはこの金属膜がパターニングされて線状に除去された部分である。

次に、本実施形態における観察距離の定義について説明する。先ず、図２に示すように、スリット５ａの幅が極小であり無視できる場合について説明する。パララックスバリア５のスリット５ａの配列ピッチをＬとし、表示パネル６とパララックスバリア５との間の間隔をＨとする。また、画素の配列ピッチをＰとする。前述の如く、表示パネル６においては、２個の画素、即ち、各１個の右眼用画素２３及び左眼用画素２４が１組の画素群となって配置されているため、その画素群の配列ピッチは２Ｐとなる。スリット５ａの配列ピッチＬと画素群の配列ピッチＰとは相互に関係しているため、一方に合わせて他方を決めることになるが、通常、表示パネルに合わせてパララックスバリアを設計することが多いため、画素の配列ピッチＰを定数として扱う。

また、全ての右眼用画素２３からの光が到達する領域を右眼領域７１とし、全ての左眼用画素２４からの光が到達する領域を左眼領域７２とする。観察者は、右眼４１を右眼領域７１に位置させ、左眼４２を左眼領域７２に位置させれば、立体画像を認識することができる。但し、観察者の両眼間隔は一定なので、右眼４１及び左眼４２を夫々右眼領域７１及び左眼領域７２の任意の位置に配置できるわけではなく、両眼間隔を一定値に保つことができる領域に限定される。即ち、右眼４１及び左眼４２の中点４３が立体可視域７に位置する場合にのみ、立体視が可能となる。表示パネル６からの距離が最適観察距離ＯＤとなる位置では、立体可視域７における横方向１２に沿った長さが最長となるため、観察者の位置が横方向１２にずれた場合の許容度が最大となる。このため、表示パネル６からの距離が最適観察距離ＯＤとなる位置が、最も理想的な観察位置である。更に、立体可視域７における表示パネル６からの距離が最適観察距離ＯＤである仮想平面を最適観察面７ｂとする。更に、最適観察面７ｂにおける１個の画素の拡大投影幅を、例えば、観察者の両眼間隔ｅとする。なお、観察者の両眼間隔の平均的な値は、例えば６５ｍｍである。

次に、上述の各値を使用して、パララックスバリア５と表示パネル６との間の距離Ｈを決定する。図２に示す幾何学的関係より、下記数式３が成立し、これにより、下記数式４に示すように、間隔Ｈが求まる。

更に、表示パネル６の横方向１２における中心に位置する画素群の中心と、横方向１２における端に位置する画素群の中心との間の距離をＷ_Ｐとし、これらの画素群に夫々対応するスリット５ａの中心間の距離をＷ_Ｌとすると、距離Ｗ_Ｐと距離Ｗ_Ｌとの差Ｃは下記数式５で与えられる。また、表示パネル６において距離Ｗ_Ｐに含まれる画素数を２ｍ個とすると、下記数式６が成立する。更に、幾何学的関係から下記数式７が成り立つため、パララックスバリア５のスリット５ａのピッチＬは下記数式８により与えられる。

前述の如く、立体可視域７に両眼の中点４３が位置すれば立体視が可能である。立体可視域７における表示パネル６から最も遠い点と表示パネル６との間の距離を最大観察距離Ｄとする。最大観察距離Ｄを算出するためには、図２に示すように、表示パネル６における図示の最も右側に位置する右眼用画素２３の左端から発した光線２５において光学系中心線２６から図示の左方向に（ｅ／２）の距離だけ離れた点と、表示パネル６との間の距離を求めればよい。図２に示す幾何学的関係から、下記数式９及び数式１０が成り立つ。また、上記数式７及び下記数式１０から、下記数式１１が算出される。

上述の説明では、スリット５ａの幅が極小であり無視できる場合について述べたが、この場合には、左眼用画像と右眼用画像とのクロストークは少ないものの、スリットの幅が小さいために表示が暗くなるという問題がある。そこで、実際には、図３に示すように、スリット５ａにある有限の幅を持たせ、表示を明るくしている。次に、スリット５ａの幅を考慮した場合の観察距離について説明する。

図３において、表示パネル６の表面をＸ軸とし光学系の中心線２６をＹ軸とするＸＹ直交座標系を設定すると、表示パネル６における図示の最も右側に位置する右眼用画素２３の左端から出射し、スリット５ａの右端を通過する光線２７は、下記数式１２により与えられる。

そして、このとき、最大観察距離Ｄは、光線２７とｘ＝（−ｅ／２）との交点におけるＹ座標の値となる。従って、上記数式１２にｘ＝（−ｅ／２）を代入すると、最大観察距離Ｄが下記数式１３により与えられる。

また、幾何学的関係より下記数式１４が成立するため、上記数式１３及び下記数式１４から下記数式１５が導出される。

図３においては、最適観察面７ｂにおける１個の画素の拡大投影幅が２ｅ、即ち観察者の両眼間隔の２倍となるように、スリット５ａの幅Ｑを設定している。スリット５ａの幅Ｑがこれ以上大きくなると、最適観察面７ｂにおける全ての観察点において、左眼用画像と右眼用画像とのクロストークが発生してしまい、クロストークが発生しない観察点が存在しなくなる。このため、通常は、スリットの幅Ｑをこれよりも大きくすることはない。即ち、本条件はスリットの幅Ｑが最大値をとった場合であるといえる。幾何学的関係から、スリットの幅Ｑは下記数式１６及び数式１７のように記載できる。なお、パララックスバリア５と表示パネル６との間の距離Ｈ、及びパララックスバリア５のスリット５ａの配列周期Ｌは、上記数式４及び数式８と同様に求めることができる。

なお、立体可視域７の大きさは、クロストークの許容量及び画素の開口率に依存するが、上述のようにスリット５ａの幅Ｑが最大値をとる場合には、図３に示すような光学的配置になる。このとき、上記数式１４から、下記数式１８が導出される。

スリットの幅Ｑが無視できる場合の最大観察距離ＤをＤ_ｍｉｎ、スリットの幅Ｑが前記最大値をとる場合の最大観察距離ＤをＤ_ｍａｘとすると、上記数式１０及び数式１８より、下記数式１９が成立する。この数式１９及び上記数式１１から、下記数式２０が導出される。

以上、スリット５ａの幅が最も小さい場合と最も大きい場合について、最大観察距離Ｄを定義した。実際には、左右の画像のクロストークの許容量、画素の開口率、表示の明るさ等により、スリットの幅は、上述の最小値と最大値との間の範囲内で設計される。その場合には、１個の画素の拡大投影幅は両眼間隔（ｅ）から両眼間隔の２倍（２ｅ）の範囲となる。なお、上述の説明はパララックスバリアの開口部がスリット状である場合についてのものであるが、開口部がピンホール状である場合にも適用できる。

上述の如く、立体画像表示装置２の最大観察距離Ｄを、立体画像表示装置２の構成に基づいて定義した。この最大観察距離Ｄにより、表示パネル６の縦方向１１の精細度Ｘ（ｄｐｉ）は、下記数式２１を満たすように設定されている。つまり、縦方向１１の精細度、即ち、例えば右眼用画素２３の１インチ当りの個数は、２５．４（ｍｍ／ｉｎｃｈ）を前記距離Ｄ（ｍｍ）と角度１分の正接（タンジェント）との積で除した値以上となっている。最大観察距離Ｄ及び精細度Ｘの最小値の代表的な値を表１に示す。

（数２１）
Ｘ≧２５．４／｛Ｄ×tan（１’）｝

本実施形態においては、最大観察距離Ｄを例えば５００ｍｍとし、観察者は、表示パネル６から５００ｍｍ以下の距離、例えば４００乃至５００ｍｍの距離で立体画像表示装置２を観察するようにする。このとき、立体画像１について、縦方向１１における精細度１１を１７５ｄｐｉ以上、例えば２３０ｄｐｉとする。また、横方向１２の精細度を例えば１１５ｄｐｉとする。また、表示パネル６の表示面の大きさは例えば対角２．２型であり、表示面における縦方向１１の長さは例えば４５ｍｍであり、横方向１２の長さは例えば３４ｍｍである。また、図４に示すように、本実施形態の立体画像表示装置２は、例えば、携帯電話９に搭載されている。なお、立体画像表示装置２は、携帯端末、ＰＤＡ、ゲーム機、デジタルカメラ又はデジタルビデオ等の携帯機器に搭載されていてもよい。

次に、本実施形態に係る立体画像表示装置の動作、即ち、立体画像表示方法について説明する。図１及び図２に示すように、先ず、光源８が点灯すると共に、表示パネル６が立体画像１を表示する。即ち、表示パネル６の右眼用画素２３が右眼用画像を表示すると共に、左眼用画素２４が左眼用画像を表示する。次に、観察者４が立体可視域７内の観察点、例えば表示パネル６から４００ｍｍ離れた観察点に右眼４１と左眼４２との中点４３を位置させる。このとき、光源８が表示パネル６に向けて光を出力し、表示パネル６の右眼用画素２３に入射した光は、これを透過し、パララックスバリア５のスリット５ａを通過して観察者の右眼４１に入射する。一方、表示パネル６の左眼用画素２４に入射した光は、これを透過し、パララックスバリア５のスリット５ａを通過して観察者の左眼４２に入射する。これにより、観察者は立体画像１を認識することができる。実際には、観察者４が立体画像表示装置２を手に持ってその位置を動かすか、又は、観察者自身が移動することにより、立体画像を認識できる位置を探し、画像を観察することになる。なお、表示パネル６が表示する立体画像１は、静止画像であってもよく、動画像であってもよい。

このように、本実施形態においては、表示パネル６の縦方向の精細度Ｘを上記数式２１を満たすように設定しているため、立体画像を表示する際に、画像の精細度が観察者の視力の分解能以下となる。このため、観察者が見えるはずの特徴点を見落とすことを防止でき、観察者が疲労を感じることを抑制できる。特に、立体動画像を表示する場合に、この効果が大きい。動画像は時間と共に画像が刻々と変化するが、観察者の特徴点の探索に時間がかかる場合には、両眼融合が画像の変化に追い付かなくなる。この結果、常に両眼視野闘争が発生するため、観察者は多大な疲労を感じることになる。これに対して、本実施形態においては、前述の如く特徴点の探索が速やかに行われ、立体視が容易になるため、立体動画像を容易に認識することができる。

なお、本実施形態においては、表示パネル６は、右眼用画像を表示する右眼用画素２３及び左眼用画像を表示する左眼用画素２４のみを有するが、表示パネルは、他の画像を表示する１種類以上の画素を備えていてもよい。これにより、多視点の表示を行うことができる。

また、本実施形態においては、表示パネルとして透過型液晶表示パネルを使用したが、本発明はこれに限定されず、反射型液晶表示パネル、又は各画素に透過領域及び反射領域が設けられた半透過型液晶表示パネルを使用してもよい。また、液晶表示パネルの駆動方法は、ＴＦＴ（Thin Film Transistor：薄膜トランジスタ）方式及びＴＦＤ（Thin Film Diode：薄膜ダイオード）方式等のアクティブマトリクス方式でもよく、ＳＴＮ（Super Twisted Nematic liquid crystal）方式等のパッシブマトリクス方式でもよい。更に、表示パネルには液晶表示パネル以外の表示パネル、例えば、有機エレクトロルミネッセンス表示パネル、プラズマ表示パネル、ＣＲＴ（Cathode-Ray Tube：陰極線管）表示パネル、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）表示パネル、フィールドエミッション表示パネル、又はＰＡＬＣ（Plasma Address Liquid Crystal：プラズマ・アドレス液晶）を使用してもよい。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図５は本実施形態における他の立体画像表示方法を示す斜視図である。本実施形態においては、表示パネルの縦方向の精細度を１７５ｄｐｉとし、観察距離Ｄを５００ｍｍとしている。これにより、図５に示すように、立体画像表示装置２を観察者が手４４で保持し、移動しながら立体画像１を観察することが可能となる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態においては、前述の第１の実施形態と異なり、表示装置６の表示面の縦方向１１及び横方向１２の両方向の精細度Ｘを、上記数式２１を満たすように設定している。縦方向１１の精細度は、例えば右眼用画素２３の１インチ当りの個数である。また、横方向１２の精細度は、各１個の右眼用画素２３及び左眼用画素２４からなる群の１インチ当りの数である。

本実施形態においては、上述の如く構成することにより、特徴点の欠落をより確実に防止でき、観察者の疲労をより効果的に低減することができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図６及び図７は本実施形態における立体画像表示装置の光学モデルを示す図であり、図６はスリットの幅が無視できる程度に小さい場合を示し、図７はスリットの幅が有限の値Ｑである場合を示す。図６に示すように、本実施形態に係る立体画像表示装置においては、表示パネル６の背面側にパララックスバリア５が設けられている。即ち、観察者側から順に、表示パネル６、パララックスバリア５及び光源８が設けられている。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。

次に、本実施形態における観察距離の定義について説明する。先ず、図６に示すように、スリット５ａの幅が極小であり無視できる場合について説明する。前述の第１の実施形態と同様に、パララックスバリア５のスリット５ａの配列ピッチをＬとし、表示パネル６とパララックスバリア５との間の間隔をＨとし、表示パネル６の画素群の配列ピッチをＰとする。また、立体可視域７における表示パネル６から最も遠い点と表示パネル６との間の距離を最大観察距離Ｄとし、立体可視域７の交点７ａと表示パネル６との間の距離を最適観察距離ＯＤとする。更に、最適観察面７ｂにおける１個の画素の拡大投影幅を、例えば、観察者の両眼間隔ｅとする。これにより、下記数式２２及び数式２３が成立する。

更にまた、表示パネル６の横方向１２における中心に位置する画素群の中心と、横方向１２における端に位置する画素群の中心との間の距離をＷ_Ｐとし、これらの画素群に夫々対応するスリット５ａの中心間の距離をＷ_Ｌとすると、距離Ｗ_Ｐと距離Ｗ_Ｌとの差Ｃは下記数式２４で与えられる。また、表示パネル６において距離Ｗ_Ｐに含まれる画素数を２ｍ個とすると、前記数式６が成立し、その結果、下記数式２５及び数式２６が成立する。

一方、最大観察距離Ｄを算出するためには、図６に示すように、パララックスバリア５における図示の最も右側に位置するスリット５ａから出射し、表示パネル６の最も右側に位置する右眼用画素２３の右端を透過した光線２５において光学系中心線２６から図示の左方向に（ｅ／２）の距離だけ離れた点と、表示パネル６との間の距離を求めればよい。図６に示す幾何学的関係から、下記数式２７及び数式２８が成り立つ。また、上記数式２５及び下記数式２８から、下記数式２９が算出される。

上述の説明では、スリット５ａの幅が極小であり無視できる場合について述べたが、この場合には、左眼用画像と右眼用画像とのクロストークは少ないものの、スリットの幅が小さいために表示が暗くなるという問題がある。そこで、実際には、図７に示すように、スリット５ａにある有限の幅を持たせ、表示を明るくしている。以下、スリット５ａの幅を考慮する場合について説明する。

図７において、表示パネル６の表面をＸ軸とし光学系の中心線をＹ軸とするＸＹ直交座標系を設定すると、パララックスバリア５における図示の最も左端に位置するスリット５ａの右端を通過し、表示パネル６の最も左側に位置する左眼用画素２４の左端を透過する光線２８は、下記数式３０により与えられる。

そして、このとき、最大観察距離Ｄは、光線２８と直線ｘ＝（ｅ／２）との交点のＹ座標の値となる。従って、上記数式２７にｘ＝（ｅ／２）を代入すると、最大観察距離Ｄが下記数式３１により与えられる。

図７においては、最適観察面７ｂにおける１個の画素の拡大投影幅が２ｅ、即ち観察者の両眼間隔の２倍となるように、スリット５ａの幅Ｑを設定している。スリット５ａの幅Ｑがこれ以上大きくなると、最適観察面７ｂにおける全ての観察点において左眼用画像と右眼用画像とのクロストークが発生してしまい、クロストークが発生しない観察点が存在しなくなるため、通常は、スリットの幅Ｑをこれよりも大きくすることはない。即ち、本条件はスリットの幅Ｑが最大値をとる場合である。幾何学的関係から、スリットの幅Ｑは下記数式３２及び数式３３のように記載できる。なお、パララックスバリア５と表示パネル６との間の距離Ｈ、及びパララックスバリア５のスリット５ａの配列周期Ｌは、前述の第１の実施形態と同様に、上記数式４及び数式８により求めることができる。

なお、立体可視域７の大きさは、クロストークの許容量及び画素の開口率に依存するが、上述のようにスリット５ａの幅Ｑが最大値をとる場合には、図７に示すように、各画素の拡大投影幅が２ｅとなるような光学的配置になる。従って、図７に示す幾何学的関係から、下記数式３４が成り立ち、下記数式３４から下記数式３５が導出される。

スリットの幅Ｑが無視できる場合の最大観察距離ＤをＤ_ｍｉｎ、スリットの幅Ｑが前記最大値をとる場合の最大観察距離ＤをＤ_ｍａｘとすると、距離Ｄ_ｍｉｎは上記数式２８により与えられ、Ｄ_ｍａｘは上記数式３５により与えられるため、下記数式３６が成立する。この数式３６及び上記数式２９から、下記数式３７が導出される。

以上、スリット５ａの幅が最も小さい場合と最も大きい場合について、最大観察距離Ｄを定義した。実際には、左右の画像のクロストークの許容量、画素の開口率、表示の明るさ等により、スリットの幅は上述の最小値と最大値との間の範囲内で設計される。その場合には、１個の画素の拡大投影幅は両眼間隔（ｅ）から両眼間隔の２倍（２ｅ）の範囲となる。なお、上述の説明はパララックスバリアの開口部がスリット状である場合についてのものであるが、開口部がピンホール状である場合にも適用できる。

次に、本実施形態に係る立体画像表示装置の動作、即ち、立体画像表示方法について説明する。図１及び図６に示すように、先ず、光源８が点灯すると共に、表示パネル６が立体画像１を表示する。即ち、表示パネル６の右眼用画素２３が右眼用画像を表示すると共に、左眼用画素２４が左眼用画像を表示する。次に、観察者４が立体可視域７内の観察点、例えば表示パネル６から４００ｍｍ離れた観察点に右眼４１と左眼４２との中点４３を位置させる。このとき、光源８がパララックスバリア５に向けて光を出力し、この光がパララックスバリア５のスリット５ａを通過して、右眼用画素２３及び左眼用画素２４に入射する。右眼用画素２３に入射した光は、これを透過して、観察者の右眼４１に入射する。また、左眼用画素２４に入射した光は、これを透過して、観察者の左眼４２に入射する。これにより、観察者は立体画像１を認識することができる。本実施形態における上記以外の動作は、前述の第１の実施形態と同様である。

本実施形態においては、前述の第１の実施形態と比較して、パララックスバリアを表示パネルの背面側に設けているため、観察者が立体画像１を観察する際にパララックスバリアが目障りにならず、視認性がより優れている。本実施形態における上記以外の効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図８は本実施形態における立体画像表示装置の光学モデルを示す図である。また、本実施形態に係る立体画像表示方法は図１に示すようになる。図８に示すように、本実施形態に係る立体画像表示装置においては、観察者側から順に、レンチキュラレンズ２１、表示パネル６及び光源８が設けられており、レンチキュラレンズ２１は表示パネル６に接しており、レンチキュラレンズ２１の焦点面に表示パネル６の画素が位置している。表示パネル６及び光源８の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。

レンチキュラレンズ２１においては、長手方向が縦方向１１（図１参照）であるシリンドリカルレンズ（凸部）２２が、複数本横方向１２に沿って配列されている。そして、相互に隣接する画素２３及び２４からなる群は、レンチキュラレンズ２１の各凸部２２に対応している。

次に、本実施形態における観察距離の定義について説明する。レンチキュラレンズ２１のシリンドリカルレンズ２２の配列ピッチをＬとし、レンチキュラレンズ２１の厚さ、即ち、表示パネル６とレンチキュラレンズ２１の頂部との間の距離をＨとする。また、レンチキュラレンズ２１の屈折率をｎとする。更に、表示パネル６の画素の配列ピッチをＰとする。シリンドリカルレンズ２２の配列ピッチＬと画素の配列ピッチＰとは相互に関係しているため、一方に合わせて他方を決めることになるが、通常、表示パネルに合わせてレンチキュラレンズを設計することが多いため、画素の配列ピッチＰを定数として扱う。また、レンチキュラレンズ２１の材料を選択することにより、屈折率ｎを決めることができる。

また、表示パネル６の横方向１２における中心に位置する画素群の端部からレンチキュラレンズ２１の横方向１２における中心に位置するシリンドリカルレンズ２２の中心への入射角をαとし、出射角をβとし、表示パネル６の横方向１２における図示の最も右側に位置する画素群の中心からレンチキュラレンズ２１の横方向１２における最も右側に位置するシリンドリカルレンズ２２の中心への入射角をγとし、出射角をδとする。また、更に、表示パネル６の横方向１２における中心に位置する画素群の中心と、横方向１２における端に位置する画素群の中心との間の距離をＷ_Ｐとし、これらの画素群に夫々対応するシリンドリカルレンズ２２の中心間の距離をＷ_Ｌとする。なお、図８に示す立体可視域７、最適観察距離ＯＤ、最大観察距離Ｄ、最適観察面７ｂ及び両眼間隔ｅの定義は、前述の第１の実施形態（図２参照）と同様である。

次に、上述の各値を使用して、レンチキュラレンズ２１と表示パネル６との間の距離Ｈを決定する。スネルの法則及び図８に示す幾何学的関係より、下記数式３８乃至４３が成立する。

また、距離Ｗ_Ｐと距離Ｗ_Ｌとの差Ｃは下記数式４４で与えられる。また、表示パネル６において距離Ｗ_Ｐに含まれる画素数を２ｍ個とすると、下記数式４５が成立する。更に、幾何学的関係から上記数式４３が成り立つため、パララックスバリア５のスリット５ａのピッチは上記数式８により与えられる。

観察者の右眼４１が右眼領域７１に位置し、左眼４２が左眼領域７２に位置すれば、観察者は立体画像を認識することができる。但し、観察者の両眼間隔は一定なので、右眼４１及び左眼４２を夫々右眼領域７１及び左眼領域７２の任意の位置に配置できるわけではなく、両眼間隔を一定値に保つことができる領域に限定される。即ち、右眼４１及び左眼４２の中点４３が立体可視域７に位置する場合にのみ、立体視が可能となる。表示パネル６からの距離が最適観察距離ＯＤとなる位置では、立体可視域７における横方向１２に沿った長さが最長となるため、観察者の位置が横方向１２にずれた場合の許容度が最大となる。このため、表示パネル６からの距離が最適観察距離ＯＤとなる位置が、最も理想的な観察位置である。

一方、最大観察距離Ｄを算出するためには、図８に示すように、表示パネル６における図示の最も右側に位置する右眼用画素２３の左端から発した光線２９において光学系中心線２６から図示の左方向に（ｅ／２）の距離だけ離れた点と、表示パネル６との間の距離を求めればよい。図８に示す幾何学的関係から、下記数式４６及び数式４７が成り立つ。また、上記数式４３及び下記数式４７から、下記数式４８が算出される。

なお、上述の説明はレンズがレンチキュラレンズである場合についてのものであるが、レンズがフライアイレンズである場合にも適用できる。

上述の如く、立体画像表示装置２の最大観察距離Ｄを、立体画像表示装置２の構成に基づいて定義した。この最大観察距離Ｄにより、表示パネル６の縦方向１１の精細度Ｘ（ｄｐｉ）は、上記数式２１を満たすように設定されている。つまり、縦方向１１の精細度、即ち、例えば右眼用画素２３の１インチ当りの個数は、２５．４（ｍｍ／ｉｎｃｈ）を前記距離Ｄ（ｍｍ）と角度１分の正接（タンジェント）との積で除した値以上となっている。本実施形態においては、最大観察距離Ｄを例えば５００ｍｍとし、縦方向１１の精細度１１は１７５ｄｐｉ以上、例えば２３０ｄｐｉとする。

次に、本実施形態に係る立体画像表示装置の動作、即ち、立体画像表示方法について説明する。図１及び図８に示すように、先ず、観察者４が、立体可視域７内の観察点、例えば表示パネル６から４００乃至５００ｍｍ離れた観察点に右眼４１と左眼４２との中点４３を位置させる。次に、表示パネル６が立体画像１を表示する。即ち、表示パネル６の右眼用画素２３が右眼用画像を表示すると共に、左眼用画素２４が左眼用画像を表示する。そして、光源８が表示パネル６に向けて光を出力する。この光が表示パネル６の右眼用画素２３及び左眼用画素２４に入射する。右眼用画素２３に入射した光は、これを透過して、レンチキュラレンズ２１の各シリンドリカルレンズ２２で屈折し、観察者の右眼４１に入射する。また、左眼用画素２４に入射した光は、これを透過して、シリンドリカルレンズ２２で屈折し、観察者の左眼４２に入射する。これにより、観察者は立体画像１を認識することができる。

本実施形態においては、前述の第１の実施形態と比較して、光学手段としてパララックスバリアではなくレンチキュラレンズを使用しているため、光源８から出射した光を損失することがなく、効率がよい。本実施形態における上記以外の効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

以下、本発明の実施例の効果について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。本発明の効果について検証するために、立体画像表示装置に２種類の立体画像を表示させ、被験者１０名による主観評価を行った。立体画像表示装置は、観察距離、即ち表示パネルと観察者との間の距離が５００ｍｍとなるような位置に配置した。観察者の視力を１．０とすると、この観察距離における眼の解像度は１７５ｄｐｉである。

本発明の実施例においては、画像の縦方向の精細度を２３０ｄｐｉとし、横方向の精細度を１１５ｄｐｉとした。即ち、縦方向の精細度のみを眼の解像度以上とした。これに対して、比較例においては、画像の縦方向の精細度を１２８ｄｐｉとし、横方向の精細度を６４ｄｐｉとした。即ち、縦方向及び横方向共に、精細度は眼の解像度未満とした。

そして、１０名の被験者がこの２種類の立体画像を観察し、その見易さを５段階の評価尺度により評価した。この評価尺度の基準を表２に示し、評価結果を表３に示す。

表３に示すように、本発明の実施例においては、被験者の評点の平均値は４．３であり、比較例においては、評点の平均値は２．１であった。従って、この結果より、本発明の実施例の画像は、比較例の画像と比較して視認性が優れることが判明した。即ち、立体画像の一方向のみにおいて、対応する特徴点の欠落を防止しても、立体視が飛躍的に容易になることが実験により検証された。前述の如く、視認性が優れるということは、結果として観察者の疲労を低減できることを意味する。

なお、一方向のみにおける特徴点の欠落防止でも視認性の向上に対して効果がある以上、縦横両方向において特徴点の欠落を防止した場合には、観察者の疲労を低減する効果を有することは明らかである。

１；立体画像
２；立体画像表示装置
４；観察者
５；パララックスバリア
５ａ；スリット
６；表示パネル
７；立体可視域
７ａ；立体可視域７における対角線の交点
７ｂ；最適観察面
８；光源
９；携帯電話
１１；縦方向
１２；横方向
２１；レンチキュラレンズ
２２；凸部（シリンドリカルレンズ）
２３；右眼用画素
２４；左眼用画素
２５、２７、２８、２９；光線
２６；光学系の中心線
４１；観察者の右眼
４２；観察者の左眼
４３；右眼４１と左眼４２との中点
４４；観察者の手
７１；右眼領域
７２；左眼領域
８１、８２；光束
Ｄ；最大観察距離
ＯＤ；最適観察距離

Claims (3)

1. 右眼用の画像を表示する画素と左眼用の画像を表示する画素とから構成される表示単位がマトリクス状に配列された表示パネルと、
   前記表示単位の列毎に配置されこの列が延びる方向に沿って延びる複数のスリットが形成されてなり、前記右眼用の画像を表示する画素から出射した光及び前記左眼用の画像を表示する画素から出射した光を相互に異なる方向に出射させるパララックスバリアと、を有し、
   立体可視域を、観察者の右眼と左眼との中点を前記立体可視域内に位置させたときに前記右眼に前記右眼用の画像を表示する画素から出射した光が入射すると共に前記左眼に前記左眼用の画像を表示する画素から出射した光が入射する領域であると定義した場合に、前記立体可視域における前記表示パネルから最も遠い点と前記表示パネルとの間の距離をＤ（ｍｍ）とし、前記表示パネルにおける前記右眼用画素と前記左眼用画素との配列方向である一の配列方向における前記表示単位の精細度をＹ（ｄｐｉ）とし、前記一の配列方向に交差する他の配列方向における前記表示単位の精細度をＸ（ｄｐｉ）とするとき、前記距離Ｄ、精細度Ｘ及び精細度Ｙが下記数式を満たし、
   Ｘ≧２５．４／｛Ｄ×tan（１’）｝
   Ｘ≧１７５
   Ｘ：Ｙ＝２：１
   前記複数のスリットの各々は、前記立体可視域における前記一の配列方向における長さが最大となる線分上の点と前記表示パネルとの間の距離をＯＤ（ｍｍ）とし、観察者の両眼間隔をｅ（ｍｍ）とするとき、前記距離ＯＤにおける一の画素の投影幅が２ｅ（ｍｍ）となるように形成されており、
   前記表示パネルの前記一の配列方向における中心に位置する前記表示単位の中心と、前記一の配列方向における端に位置する前記表示単位の中心との間の距離をＷ_Ｐ（ｍｍ）とするとき、下記数式を満たすことを特徴とする立体画像表示装置。
   Ｄ＝ＯＤ×（Ｗ_Ｐ＋ｅ／２）／（Ｗ_Ｐ−ｅ／２） （数）
2. 前記表示パネルが液晶表示パネルであることを特徴とする請求項１に記載の立体画像表示装置。
3. 立体動画像を表示することを特徴とする請求項１又は２に記載の立体画像表示装置。

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