JP7841743B2 - 裸眼立体映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、裸眼立体映像表示装置に関するものである。

近年、立体視専用の眼鏡を使用せずに、任意の画像を立体視させる画像表示装置である裸眼立体画像表示装置についての研究開発が行われている。こうした裸眼立体画像表示装置の一例として、レンズアレイと垂直方向に指向をもつ指向性拡散板とを用いた時分割指向性バックライト式裸眼立体ディスプレイが知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。

また、レンズアレイを用いた他の裸眼立体画像表示装置として、レンズアレイを構成する要素レンズごとに異なる視点から見える要素画像を並べて表示する多視点立体ディスプレイが知られている（例えば、特許文献３、４を参照）。さらに、要素レンズの端部において、隣り合うフレネルレンズのプリズムユニットを交互に並べた集光系アレイを画像表示面の前面に配置して、レンズアレイの要素レンズの継ぎ目を目立たないようにした裸眼立体画像表示装置が知られている（例えば、特許文献５を参照）。

特開２０１３－１６１０３５号公報 特開２０１４－１５３７０５号公報 特開２００８－１５１２１号公報 特開２００９－８７２２号公報 特開２０１６－１８１０８号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載されるような時分割指向性バックライト式裸眼立体ディスプレイでは、同時に複数人が固有視点からの立体像を観察することができないという問題があった。

また、特許文献３、４に記載されるような裸眼立体画像表示装置では、要素レンズの継ぎ目が目立って画質が低下するという問題があり、特許文献５に記載される裸眼立体画像表示装置では、その問題は緩和されるものの、継ぎ目の連続さが不十分であるという問題があり、より自然な立体画像を表示することが求められていた。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、裸眼立体画像表示装置において、複数の要素レンズどうしの接続部分の継ぎ目を目立たなくして、輝度が一様で滑らかな運動視差が再現される立体画像を表示することが可能な裸眼立体画像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態の裸眼立体画像表示装置は、以下の手段を提案している。
（１）本発明の態様１の裸眼立体画像表示装置は、画像表示面に多数の異なる視点位置から観察される要素画像を並べて表示する画像表示部と、前記画像表示部の投影光が出射される前面側に配される集光系アレイ部と、を有し、前記集光系アレイ部は、複数の要素集光系領域で構成され、前記集光系アレイ部は、複数のリニアフレネルレンズが溝の延長方向を互いに揃えて周期的に配置された構造を持つリニアフレネルレンズアレイを２枚直交させて重ねたものであって、前記要素集光系領域の中心部から一方の端部までの領域に、隣接する前記要素集光系領域の中心部から他方の端部までの領域が重なる入り会い構造部は、前記リニアフレネルレンズの前記延長方向に直角な断面において、中心部から一方の端部付近までの右領域の溝構造に、中心部から他方の端部付近までの左領域の溝構造を重ね合わせた入り会い溝構造を成すことを特徴とする。

（２）本発明の態様２は、態様１の裸眼立体画像表示装置において、前記入り会い溝構造は、前記リニアフレネルレンズの前記延長方向に直角な断面において、前記中心部に三角形状の左右対称な山か谷が形成され、その中心部が山または谷の場合は、その両側に、その山または谷に近い側の斜面が遠い側に比べて緩やかな三角形状の山が形成された断面構造であることを特徴とする。

（３）本発明の態様３は、態様１または２の裸眼立体画像表示装置において、前記入り会い溝構造は、前記リニアフレネルレンズの部分それぞれが当該リニアフレネルレンズの溝毎に交互に配置されて構成されることを特徴とする。

本発明によれば、複数の要素レンズどうしの接続部分の継ぎ目を目立たなくして、輝度が一様な高解像度の立体画像を表示することが可能な裸眼立体画像表示装置を提供することが可能になる。

本発明の実施形態に係る裸眼立体画像表示装置の構成の一例を示す模式図である。 画像表示部に表示する画像の一例を示す写真である。 本発明の従来のリニアフレネルレンズの一例を示す斜視図である。 本発明の従来のリニアフレネルレンズの断面の一例を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るリニアフレネルレンズの構成を説明する説明図である。 本発明の一実施形態のリニアフレネルレンズの断面の一例を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る凸レンズアレイを側面から見た時の平面図である。 本発明の一実施形態に係る凸レンズアレイの上面から見た時の平面図である。 本発明、および従来例の凸レンズアレイを用いる場合の結像の明るさの一例を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態の裸眼立体画像表示装置について説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

本発明の一実施形態の裸眼立体画像表示装置について説明する。
図１は、本実施形態の裸眼立体映像表示装置の基本構成を示す模式図である。
本実施形態の裸眼立体映像表示装置１０は、粗インテグラルイメージング方式のものである。表示制御器１６で制御された画像表示部１１に粗インテグラルイメージング用の画像が表示される。照射部（バックライト）１７は、画像表示部１１の裏面１１ｂ側に向けて照明光Ｑ１を照明する。この照明光Ｑ１が画像表示部１１を透過し、画像表示部１１に表示された画像を含む画像光Ｑ２が、画像表示部１１の表面１１ａ側から出射される。画像光は、集光系アレイ１２で、それぞれの位置の観察者１５用に選択され、大口径集光系１３で空間に形成される像面１４に立体像である実像が結像される。この像面１４を観察者１５が立体像として観察する。

なお、本実施形態の他にも、例えば、上述した特許文献３の図１２に示すように、画像表示部として透過型の画像表示面を複数重ねた構成を用いることもできる。また、上述した特許文献４の図２に示すように、画像表示部と集光系アレイ部の間の距離を短くし、遠方に虚像を生成する構成を用いることもできる。

更に、多視点型の裸眼立体映像表示装置であって、複数の要素画像を並べて表示する表示面とそれを制御する表示制御器とを備える要素画像表示部と、複数の要素集光系領域からなるアレイを含む集光系アレイ部と、を備え、この集光系アレイ部を通してそれぞれの要素画像を観察者に提示するものであれば、本発明の裸眼立体映像表示装置１０の構成として用いることができる。

画像表示部１１としては、例えば、通常のカラー画像の表示装置である液晶表示パネルを用いることができるほか、自発光型の有機ＥＬ表示パネル、プラズマ表示パネル、レーザー描画装置などを用いることもでき、その場合は照射部１７は特に設けなくてもよい。

本実施形態の画像表示部１１は、複数の表示素子がマトリクス状に配置された透過型の画像表示面Ｄ１を備える。画像表示部１１は、例えば、透過型の液晶ディスプレイ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＬＣＤ）を含んで構成される。画像表示部１１は、画像表示面Ｄ１は、右眼用画像と左眼用画像とをそれぞれ同時に表示する所定数の画素からなる画素組を複数マトリクス状に配列したものからなる。
図２に、後述する凸レンズアレイＡ１の要素レンズＥ１の数が１１×６の場合に、画像表示部１１に表示する画像の一例を示す。

照射部１７は、画像表示部１１の裏面１１ｂ側に照明光を照射する。照射部１７は、例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いたバックライトであればよい。照射部１７から出射される照明光は、例えば、白色であればよい。なお、照射部１７は、上述したＬＥＤ以外にも、他の光源を用いたバックライトであってもよく、限定されるものではない。

大口径集光系１３は、集光系アレイ１２から出射された画像光を集光して、像面１４に立体像を結像させる。この結像を観察者１５が立体像として観察する。

集光系アレイ１２は、画像表示部１１の前面側、即ち、画像表示部１１と大口径集光系１３との間に配置される。こうした集光系アレイ１２は、凸レンズアレイＡ１を備える。凸レンズアレイＡ１は、平面状に配置された複数の要素レンズＥ１を備える。要素レンズＥ１は、要素集光系領域の一例である。

本実施形態では、要素集光系領域は、リニアフレネルレンズを縦横に重ねて使用し、その交点として実現する。アレイ状の要素レンズ領域は、複数のリニアフレネルレンズが縦方向に並行するリニアフレネルレンズ群と、それらが横方向に並行するリニアフレネルレンズ群との交点で実現するものである。

画像表示部１１と凸レンズアレイＡ１との距離は、複数の要素レンズＥ１それぞれの焦点距離に略等しい。そのため、集光系アレイ１２は、画像表示部１１から画像光が入射すると、当該画像光を平行光にして大口径集光系１３の側に出射にさせる。
したがって、大口径集光系１３から出射される画像光は、実像１４を形成する。

次に、集光系アレイ１２を構成する凸レンズアレイＡ１の構成の詳細について説明する。凸レンズアレイＡ１は、複数のリニアフレネルレンズを備える。本実施形態の凸レンズアレイＡ１に備えたリニアフレネルレンズの説明に先立って、まず、従来のリニアフレネルレンズの構成について説明する。

図３は、従来のリニアフレネルレンズの一例を示す斜視図である。従来のリニアフレネルレンズＬ１０は、複数の柱状のプリズムが高さ方向と垂直な方向に並べられて構成される。
リニアフレネルレンズＬ１０では、隣接するプリズムによって直線状の溝が形成される。
図４に従来のリニアフレネルレンズＬ１０の断面Ｓ１０を示す。断面Ｓ１０は、柱状の凸レンズを光軸と垂直な方向について分割し、表面付近の部分だけを残して厚みを減らして得られる。

図５は、本実施形態に係るリニアフレネルレンズの形態の一例を示す図である。
本実施形態のリニアフレネルレンズＬ１は、断面Ｓ１が左右対称である（図５（ｃ））。なお、断面Ｓ１が左右非対称の場合であってもよい。このリニアフレネルレンズＬ１は、設計の元となるリニアフレネルレンズＬＲを、溝の延長方向に直角な断面Ｓ２において、中心部Ｎ１から一方の端部Ｎ２付近までの右領域のリニアフレネルレンズＬ２と、中心部Ｎ１から他方の端部Ｎ３付近までの左領域のリニアフレネルレンズＬ３とに設計上分割する（図５（ａ））。

そして、このリニアフレネルレンズＬ２とリニアフレネルレンズＬ３とを全幅に渡って重ね合わせる（図５（ｂ））。そして、リニアフレネルレンズＬ２とリニアフレネルレンズＬ３の溝形状を合成することによって、全幅に渡って入り会い溝構造Ｃ１を成すリニアフレネルレンズＬ１が得られる（図５（ｃ））。

こうした入り会い溝構造Ｃ１は、リニアフレネルレンズＬＲの右領域であるリニアフレネルレンズＬ２の溝形状と、リニアフレネルレンズＬＲの左領域であるリニアフレネルレンズＬ３の溝形状とを合成してなる構造を成している。

図６に示すように、本実施形態のリニアフレネルレンズＬ１の入り会い溝構造Ｃ１は、リニアフレネルレンズＬ２を構成する柱状のプリズム（溝形状）と、リニアフレネルレンズＬ３を構成する柱状のプリズム（溝形状）とがそれぞれ、リニアフレネルレンズＬ２及びリニアフレネルレンズＬ３それぞれの溝毎に交互に配置される。

この配置によれば、リニアフレネルレンズＬ２の溝と、リニアフレネルレンズＬ３の溝とは、方向が互いに揃えられている。実際には、入り会い溝構造Ｃ１における個々のプリズムの幅は、リニアフレネルレンズＬ１の幅に対して十分細かい（幅数十から数百マイクロメートル程度）値に設定することが望ましい。

断面Ｓ１が示すように、入り会い溝構造Ｃ１において、リニアフレネルレンズＬ２及びリニアフレネルレンズＬ３をそれぞれ構成する柱状のプリズムは、当該プリズムの底面を一致させて互いに背中合わせの向きにおいて交互に配置されている。

断面Ｓ１では、入り会い溝構造Ｃ１の中心部に三角形状の左右対称な山が形成される。入り会い溝構造Ｃ１の中心部に形成される当該山の斜面の傾きのうち、リニアフレネルレンズＬ２によって形成される部分では、入り会い溝構造Ｃ１の左側から右側へゆくにつれて緩やかになっている。一方、当該山の斜面の傾きのうち、リニアフレネルレンズＬ３によって形成される部分では、入り会い溝構造Ｃ１の左側から右側へゆくにつれて急になっている。

また、リニアフレネルレンズＬ２の入り会い溝構造Ｃ１におけるレンズの幅は、プリズム角が緩やかなものほど広く、急なものほど狭くなっている。これにより、輝度を一様にする効果が増すとともに、プリズムの先端位置が近づくという効用もある。
こうしたリニアフレネルレンズＬ１を左右に隣接させて並べて形成することにより、リニアフレネルレンズ群が形成される。

図７及び図８に、図１に示した凸レンズアレイＡ１の構成の詳細を示す。図７は、側面図を示し、図８は上面図を示す。凸レンズアレイＡ１は、横向きレンズアレイＡ１１と、縦向きレンズアレイＡ１２とを備える。横向きレンズアレイＡ１１と、縦向きレンズアレイＡ１２とは、奥行き方向（Ｚ軸方向）に重ねられて配置される。横向きレンズアレイＡ１１、及び縦向きレンズアレイＡ１２は、互いに同じ形状である。

横向きレンズアレイＡ１１、及び縦向きレンズアレイＡ１２はそれぞれ、図６に示したリニアフレネルレンズＬ１が複数、溝の方向を互いに揃えて周期的に配置されたものである。リニアフレネルレンズＬ１が複数、溝の方向を互いに揃えて周期的に配置されたものとは、即ち、リニアフレネルレンズＬ２の溝構造とリニアフレネルレンズＬ３の溝構造とを一面上の１つの領域に重ねて合成してなるリニアフレネルレンズＬ１を左右に隣接させて繰り返し並べたものである。

本実施形態では、リニアフレネルレンズＬ１を構成するリニアフレネルレンズＬ２の溝構造またはリニアフレネルレンズＬ３の溝構造が要素レンズＥ１に相当する。横向きレンズアレイＡ１１、及び縦向きレンズアレイＡ１２それぞれにおいて、リニアフレネルレンズＬ１は、レンズアレイの要素レンズに相当する。ここでリニアフレネルレンズＬ１は、図６において説明したように、全体が入り会い溝構造Ｃ１によって構成されている。

凸レンズアレイＡ１において、横向きレンズアレイＡ１１と、縦向きレンズアレイＡ１２とは、それぞれに含まれるリニアフレネルレンズの溝の方向について直交させて重ねられて配置されている。凸レンズアレイＡ１において、要素レンズＥ１は、横向きレンズアレイＡ１１に含まれるリニアフレネルレンズＬ１と、縦向きレンズアレイＡ１２に含まれるリニアフレネルレンズＬ１が重なった部分である。この重なった部分は、横向きレンズアレイＡ１１に含まれるリニアフレネルレンズＬ１の入り会い溝構造Ｃ１と、縦向きレンズアレイＡ１２に含まれるリニアフレネルレンズＬ１の入り会い溝構造Ｃ１とが重なって構成されている。

次に、集光系アレイ１２から出射された画像光を大口径集光系１３で集光して、空間の像面１４（図１を参照）に結像される立体像の鮮明度（主に明るさ）について説明する。
図９は、従来の実施形態、および本実施形態に係る、立体像の明るさを模式的に示した説明図である。図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本実施形態との比較例として従来のリニアフレネルレンズ（例えば、図３を参照）が並べられたリニアフレネルレンズアレイの例である。図９（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）は、本実施形態に係る凸レンズアレイＡ１の例である。

図９（Ａ）では、２枚のリニアフレネルレンズアレイが、リニアフレネルレンズの溝の方向について直交させて重ねて配置されて凸レンズアレイが構成されている。２枚のリニアフレネルレンズアレイにはそれぞれ従来のリニアフレネルレンズが配列されている。

図９（Ａ）に示すリニアフレネルレンズの配置は、図９（Ｂ）に示すように球面レンズが格子状に並べられた配置に、立体像の明るさの分布としては等価である。図９（Ａ）に示すリニアフレネルレンズの配置は、球面レンズを要素レンズとするレンズアレイに相当する。図９（Ａ）に示すリニアフレネルレンズアレイを用いた場合、立体像の明るさは、図９（Ｃ）に示すように、球面レンズの形状を反映した分布となり、明るさにムラがある状態となる。なお、この図９（Ｃ）、（Ｆ）においては、色が濃い部分ほど明るいことを表している。

従来のリニアフレネルレンズＬ１０では、結像した立体像の周辺付近は中心付近に比べて暗くなる傾向があった。つまり、従来のリニアフレネルレンズＬ１０では、中心付近と周辺付近とで、結像した立体像の明るさに差があった。

図９（Ｄ）は、凸レンズアレイＡ１におけるリニアフレネルレンズの配置を示す。図９（Ｄ）に示すリニアフレネルレンズの配置は、図９（Ｅ）に示すように、球面レンズを分割して重ねたレンズを配置したものに光学的に等しい。図９（Ｄ）に示すリニアフレネルレンズ（つまり、凸レンズアレイＡ１）を用いた場合、結像した立体像の明るさは、図９（Ｆ）に示すように、球面レンズが互いに重なった部分を有さない場合に比べて一様となる。これにより、複数の要素レンズどうしの接続部分の継ぎ目を目立たなくして、輝度が一様な高解像度の立体像を得ることができる。

なお、本実施形態では、凸レンズアレイＡ１が、リニアフレネルレンズの溝について直交させて重ねられた横向きレンズアレイＡ１１と縦向きレンズアレイＡ１２とを備える場合の一例について説明したが、これに限られない。例えば、縦向きレンズアレイＡ１２が鉛直方向と一定の角度で傾いた状態で横向きレンズアレイＡ１１と直交するよう構成されていてもよい。

なお、本実施形態では、入り会い溝構造Ｃ１は、入り会い溝構造Ｃ１を構成するリニアフレネルレンズの部分それぞれが当該リニアフレネルレンズの溝毎に交互に配置されて構成される場合の一例について説明したが、これに限られない。入り会い溝構造Ｃ１は、入り会い溝構造Ｃ１を構成するリニアフレネルレンズの部分それぞれが当該リニアフレネルレンズの溝の幅よりも狭いまたは広い長さを単位として交互に配置されて構成されてもよい。

図１に示す本実施形態の裸眼立体映像表示装置１０では、大口径集光系１３の焦点の外側に像面１４を設定し、この像面１４に画像表示部１１で表示される像の実像を結像させる構成であるが、虚像を表示させる構成にすることもできる。
例えば、大口径集光系１３の焦点の内側に像面１４を設定し、この像面１４に画像表示部１１で表示される像の虚像を表示することにより、観察者１５は、実際の像と同じ向きで、かつ、大きく見える虚像を観察することができる。
また、実像を生成する場合も虚像を生成する場合も、画像表示部１１として複数の透過型パネルを積層することで、実像面または虚像面を多重化し、焦点のあう奥行きを広げた立体表示を行うこともできる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、こうした実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。こうした実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

本発明の裸眼立体映像表示装置によれば、例えば、医療用の三次元ディスプレイとして適用した場合に、従来よりも鮮明な立体像を空間に表示することができ、より的確な観察、治療に寄与することができる。また、自動車用のヘッドアップディスプレイとして適用した場合に、運転に必要な各種情報を鮮明な立体像として表示することができ、自動車運転時の操作性の向上に寄与する。従って、本発明は産業上の利用可能性を有する。

１０…裸眼立体映像表示装置
１１…画像表示部
１２…集光系アレイ
１３…大口径集光系
１４…像面
１５…観察者

Claims (3)

1. 画像表示面に多数の異なる視点位置から観察される要素画像を並べて表示する画像表示部と、
   前記画像表示部の投影光が出射される前面側に配される集光系アレイ部と、を有し、
   前記集光系アレイ部は、複数の要素集光系領域で構成され、
   前記集光系アレイ部は、複数のリニアフレネルレンズが溝の延長方向を互いに揃えて周期的に配置された構造を持つリニアフレネルレンズアレイを２枚直交させて重ねたものであって、前記要素集光系領域の中心部から一方の端部までの領域に、隣接する前記要素集光系領域の中心部から他方の端部までの領域が重なる入り会い構造部は、前記リニアフレネルレンズの前記延長方向に直角な断面において、中心部から一方の端部付近までの右領域の溝構造に、中心部から他方の端部付近までの左領域の溝構造を重ね合わせた入り会い溝構造を成すことを特徴とする裸眼立体映像表示装置。
2. 前記入り会い溝構造は、前記リニアフレネルレンズの前記延長方向に直角な断面において、前記中心部に三角形状の左右対称な山か谷が形成され、その中心部が山または谷の場合は、その両側に、その山または谷に近い側の斜面が遠い側に比べて緩やかな三角形状の山が形成された断面構造であることを特徴とする請求項１に記載の裸眼立体映像表示装置。
3. 前記入り会い溝構造は、前記リニアフレネルレンズの部分それぞれが当該リニアフレネルレンズの溝毎に交互に配置されて構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の裸眼立体映像表示装置。