WO2016021442A1 - 表示装置 - Google Patents

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WO2016021442A1
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康博 高木
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国立大学法人東京農工大学
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    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • G—PHYSICS
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    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B27/02—Viewing or reading apparatus
    • G—PHYSICS
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    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/10—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images using integral imaging methods
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells

Definitions

  • the present invention relates to a display device.
  • Non-Patent Document 1 J.-H. Park, et al., "Recent progress in three-dimensional information processing based on integral imaging," Appl. Opt., Vol. 48 no. 34, H77-H94 (2009) .
  • the lens array is arranged on the front surface of the liquid crystal panel, the background light is diffused by the lens array even if the liquid crystal panel is made transparent. Therefore, an image cannot be superimposed and displayed on the background while the user can visually recognize the background.
  • a display device having three or more lens arrays each having a plurality of lenses arranged to form an erecting equal-magnification imaging system with the three or more lens arrays. And a transparent display unit disposed between any two of the three or more lens arrays and in the vicinity of the focal plane of at least one of the lens arrays, the transparent display unit including visible light
  • Each of the plurality of pixels displays an image by controlling at least one of the transmittance and the light emission amount of the image light.
  • light rays passing through a plurality of lenses in each of the three or more lens arrays are inclined toward the center of the surface toward the outer side in the surface direction.
  • the transparent display unit is disposed closer to the lens side than the focal plane of the lens array on the user's eye side. A virtual image is formed.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration and operation of another display device 102.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration and operation of another display device 102.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating another operation of display device 102.
  • FIG. It is a perspective view showing the outline of glasses 200 concerning this embodiment.
  • a cross section of right eye lens 210 is shown schematically.
  • the cross section of the other right eye lens 212 is shown schematically.
  • the cross section of the contact lens 300 concerning this embodiment is shown roughly.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a situation in which the display device 100 of this embodiment is used.
  • the display device 100 is arranged closer to the user 40 than the window 10 and the table 12 as an example of the background.
  • the display device 100 may be supported from below by using a stand or the like, may be hung on a wall or ceiling, or may be held by the user 40 by hand.
  • the display device 100 may be a mobile terminal such as a tablet or a mobile phone.
  • the display device 100 displays the image 20 while superimposing the light ray group from the background while reproducing the light ray group from the background on the user 40 side.
  • the image 20 is preferably a stereoscopic display image by integral imaging, but is not limited thereto, and may be a two-dimensional image.
  • FIG. 2 schematically shows a cross section of the display device 100.
  • the principle by which a background light ray group is reproduced on the user 40 side will be described.
  • the display device 100 includes a lens array 110, a transparent display unit 180, a lens array 120, a transparent display unit 140, and a lens array 130 from the background side toward the user 40 side.
  • the lens arrays 110, 120, and 130 constitute an imaging system.
  • the lens array 110 has a plurality of lenses 112, 113, 114, etc. arranged two-dimensionally. Similarly, a plurality of lenses 122, 123, 124, 132, 133, 134, etc. are two-dimensionally arranged in each of the lens arrays 120, 130. The plurality of lenses 112, 122, 132, etc. in the lens arrays 110, 120, 130 are arranged at positions corresponding to each other. In addition, although the lens is drawn in a small number of three for convenience of explanation, there is no limitation regarding the number.
  • the optical system including the lens arrays 110, 120, and 130 is erected at an equal magnification with respect to an object plane having a distance 2f from the lens array 110 to the background side and an image plane having a distance 2f from the lens array 130 to the user 40 side.
  • An image optical system is formed, and a group of rays on the background of the object plane is reproduced and copied on the image plane. Since the background is imaged by each of the lenses 112, 122, 132, etc., the background resolution is not sampled by the number of lenses.
  • the transparent display unit 140 includes a liquid crystal panel 150 and a backlight 160.
  • the backlight 160 is transparent to visible light and emits, for example, white light only on the liquid crystal panel side.
  • the transparent display unit 180 in FIG. 2 includes the liquid crystal panel 185 but does not have to include the backlight.
  • the display device 100 further includes a control unit 170 that controls the transparent display units 140 and 180.
  • the controller 170 controls the transmittance of each pixel of the liquid crystal panels 150 and 185. Note that, in a specific control state from the control unit 170, each pixel of the liquid crystal panels 150 and 185 is transparent to visible light. Further, the transmittance of each pixel of the liquid crystal panels 150 and 185 is controlled according to the applied voltage.
  • the transparent display unit 140 and the transparent display unit 180 are disposed at a conjugate position with respect to the optical system.
  • the transparent display unit 140 is disposed between the lens array 120 and the lens array 130 and at or near their focal planes.
  • the transparent display unit 180 is disposed between the lens array 110 and the lens array 120 and at or near their focal planes.
  • FIG. 3 conceptually shows the pixel arrangement of the liquid crystal panel 150.
  • the liquid crystal panel 150 is two-dimensionally arranged with a plurality of liquid crystal shutters 151 whose transmittance can be controlled independently of each other.
  • Each of the liquid crystal shutters 151 corresponds to a pixel.
  • a plurality of liquid crystal shutters 151 are arranged at positions corresponding to each of a plurality of lenses such as the lens array 110.
  • the plurality of liquid crystal shutters 151 constitute liquid crystal shutter groups 152, 153, 154, and the like.
  • the liquid crystal shutter group 152 and the like include a total of 16 liquid crystal shutters 151 in 4 rows and 4 columns.
  • the boundary of the liquid crystal shutter group 152 and the like is indicated by a bold line.
  • An image 20 in integral imaging is formed by a set of pixels A at positions corresponding to each other in the plurality of liquid crystal shutter groups 152 and the like.
  • images 21, 22, and 23 in integral imaging are formed by a set of pixels B, C, and D at positions corresponding to each other in the plurality of liquid crystal shutter groups 152 and the like.
  • a stereoscopic image by integral imaging is displayed by displaying an image corresponding to each position of the plurality of lenses on the plurality of pixels.
  • the liquid crystal shutter group 152 and the like constitute an integral imaging element pixel.
  • the pixels A to D are illustrative examples, and 16 images can be formed in response to the liquid crystal shutter group 152 and the like including 16 pixels.
  • the number of liquid crystal shutters 151 included in the liquid crystal shutter group 152 and the like is not limited to 16. In addition, the number may be the same as the number of images used in integral imaging, or may be larger than that.
  • the liquid crystal shutter 181 of the liquid crystal panel 185 is disposed at a position corresponding to the liquid crystal shutter 151 of the liquid crystal panel 150, that is, an optically conjugate position.
  • the number of liquid crystal shutters 181 included in the liquid crystal shutter group of the liquid crystal panel 185 is the same as the number of liquid crystal shutters 151 included in the liquid crystal shutter group 152 and the like of the liquid crystal panel 150.
  • any one of the liquid crystal shutters may be further subdivided to have a different number.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a display operation in the display device 100.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of the state in which the image 21 is superimposed on the background by the display device 100 as viewed from the user side.
  • Each pixel of the transparent display units 140 and 180 is arranged at a two-dimensionally conjugate position, but in FIG. 4, for convenience of explanation, the one-dimensionally conjugate position is used instead. Further, it is assumed that the backlight 160 is turned on under the control of the control unit 170. Further, FIG. 5 representatively shows an image 21 among a plurality of images used for integral imaging.
  • a light shielding wall 115 is preferably provided between adjacent lenses of the lens array 110.
  • a light shielding wall 135 is preferably provided between adjacent lenses of the lens array 130. It is preferable that light shielding walls 125 and 126 are also provided between adjacent lenses of the lens array 120.
  • the control unit 170 of the display device 100 controls the transmittance of each of the pixels of the transparent display units 140 and 180. As a result, the display device 100 independently displays (1) the background can be seen through the image for each pixel, (2) displays the image light by blocking the background light, and (3) blocks both the background light and the image light. You can select either
  • the background light incident on the pixel B1 enters the corresponding pixel B1 in the liquid crystal panel 150 via the lens 122 of the lens array 120.
  • the transmittance of the pixel B1 of the transparent display unit 140 is set to the maximum or halftone, the user 40 at a position where the pixel B1 can be seen can see both the background light and the image light.
  • the background can be seen through the image.
  • the table 12 which is the background can be seen at the position of the pixel B1.
  • the transmittance of the pixel B2 of the liquid crystal panel 185 included in the position corresponding to the lens 113 of the lens array 110 in FIG. 4 is minimized.
  • the background light incident on the pixel B2 is blocked and does not enter the corresponding pixel B2 in the liquid crystal panel 150.
  • the transmittance of the pixel B2 of the transparent display unit 140 is set to the maximum or halftone, the background light is blocked for the user 40 in a position where the pixel B2 can be seen, and an image composed of image light is displayed. appear.
  • the window 10 as the background is shielded from light at the position of the pixel B2 in FIG.
  • the transmittance of the pixel B3 of the liquid crystal panel 185 included in the position corresponding to the lens 114 of the lens array 110 in FIG. 4 may be any. If the transmittance of the corresponding pixel B3 in the liquid crystal panel 150 is minimized, the background light and the image light are blocked and the black image can be seen by the user 40 at a position where the pixel B3 can be seen. Thereby, black as a part of the image 21 is seen at the position of the pixel B3 in FIG.
  • the display device 100 controls the transmittance between corresponding pixels of the transparent display unit 140 and the transparent display unit 180 to reproduce the light ray group from the background on the user 40 side.
  • the image superimposed on the light ray group from the background can be displayed.
  • the background can be reproduced as it is while stereoscopically displayed by integral imaging using the lens array 130 with the naked eye to the user 40.
  • the control unit 170 controls the transmittance of the plurality of pixels in the transparent display unit 140 to display an image, and the plurality of pixels in the transparent display unit 180.
  • the transmittance of the pixels By controlling the transmittance of the pixels, a mask image that blocks background light overlapping the image of the transparent display unit 140 is displayed. Thereby, the troublesomeness that the background light can be seen can be solved.
  • FIG. 6 and 7 are schematic cross-sectional views for explaining the configuration and operation of another display device 102.
  • FIG. In the display device 102 the same components as those of the display device 100 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • a backlight 186 is added to the transparent display unit 180 in the display device 100.
  • the backlight 186 may be the same as the backlight 160.
  • FIG. 6 shows a first state in which a mask image is formed on the transparent display unit 180 side while generating a display image on the transparent display unit 140 side.
  • the transmittance of the pixel B4 of the transparent display unit 180 is minimized, and the transmittance of the corresponding pixel B4 in the transparent display unit 140 is maximized or halftone.
  • the backlight 160 is turned on, but the backlight 186 is turned off. Since the pixel B4 of the transparent display unit 140 and the pixel B4 of the transparent display unit 180 are in an optically conjugate relationship, the image light of the pixel B4 reaches the user 40 on the side close to the transparent display unit 140. The user 41 on the side close to the section 180 is not reached.
  • FIG. 7 shows a second state in which a display image is formed on the transparent display unit 180 side while generating a mask image on the transparent display unit 140 side.
  • the transmittance of the pixel B5 of the transparent display unit 140 is minimized, and the transmittance of the corresponding pixel B5 in the transparent display unit 180 is maximized or halftone.
  • the backlight 186 is turned on, but the backlight 160 is turned off. Accordingly, the image light of the pixel B5 reaches the user 41 on the side close to the transparent display unit 180, but does not reach the user 40 on the side close to the transparent display unit 140.
  • the control unit 170 switches the first operation illustrated in FIG. 6 and the second operation illustrated in FIG. 7 in a time-sharing manner, so that each of the users 40 and 41 located on the opposite sides of the display device 102 can be controlled. Independent display images can be displayed.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining another operation of the display device 102.
  • images are displayed to the users 40 and 41 on both sides by space division.
  • whether to use for a display image or a mask image is assigned in units of element images of the transparent display units 140 and 180.
  • the element image of the transparent display unit 180 corresponding to the lens 112 is used as a mask image, and the element image of the transparent display unit 140 conjugate with this is used as a display image.
  • the element image of the transparent display unit 180 corresponding to the lens 113 is used as a display image, and the element image of the transparent display unit 140 conjugate with this is used as a mask image.
  • one display image reaches the user 40 as in the pixel B6 in FIG. 8, but is shielded by the user 41, and the other display image reaches the user 41 as in the pixel B7, but does not reach the user 40. Will not reach.
  • the integral imaging is symmetrized in both directions.
  • stereoscopic display by integral imaging may be performed on both of the transparent display units 140 and 180, or one or both may be two-dimensional images.
  • FIG. 9 is a perspective view showing an outline of the glasses 200 according to the present embodiment.
  • the eyeglasses 200 include a right eye lens 210, a left eye lens 220, and a frame 230 that holds them.
  • the user wears the right eye lens 210 of the glasses 200 so as to face the right eye of the user and the left eye lens 220 faces the left eye of the user.
  • FIG. 10 schematically shows a cross section of the right eye lens 210.
  • the same reference numerals are assigned to the same components as those of the display device 100 of FIGS. 1 to 5, and the description thereof is omitted.
  • the left eye lens 220 has the same configuration as the right eye lens 210, description thereof is omitted.
  • the right eye lens 210 is disposed in the vicinity of the user's right eye 42. Therefore, the light from the peripheral portion of the display device 100 may not enter the right eye 42 simply by reducing the size of the display device 100 to the right eye lens 210.
  • the light rays passing through the plurality of lenses in each of the lens array 110 and the like are inclined toward the center of the surface toward the outside in the surface direction.
  • a convex lens 240 is disposed on the side closer to the right eye 42 than the lens array 130
  • a concave lens 250 is disposed on the side farther from the right eye 42 than the lens array 110.
  • FIG. 11 schematically shows a cross section of another right-eye lens 212.
  • the lens pitch of the plurality of lenses is narrower as it is closer to the user among the lens arrays 260, 262, and 264. That is, the lens pitch of the lens array 262 is narrower than the lens pitch of the lens array 260, and the lens pitch of the lens array 264 is narrower than the lens pitch of the lens array 262.
  • the pixel pitch of the transparent display unit 268 is set to be narrower than the pixel pitch of the transparent display unit 266.
  • the lens arrays 260, 262, and 264 have the same configuration as the lens arrays 110, 120, and 130 of the right eye lens 210 except for the pitch size, and the transparent display units 266 and 268 have the right eye lens 210.
  • the transparent display units 266 and 268 have the same configuration.
  • the light rays passing through the plurality of lenses in each of the lens array 260 and the like are inclined toward the center of the surface toward the outer side of the surface direction. Therefore, in the shaded area in the figure, the light rays from the peripheral part can also enter the right eye 42.
  • the said structure is not restricted to the glasses 200, It can apply to the display apparatus used at a short distance with respect to users, such as a smart phone.
  • FIG. 12 schematically shows a cross section of the contact lens 300 according to the present embodiment.
  • the same components as those in FIGS. 1 to 11 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the contact lens 300 is smaller than a tablet or the like, the number of lenses arranged in the lens array 110 or the like is reduced. In the integral imaging according to the modes of FIGS. 1 to 11, only one pixel can be seen through one lens. Therefore, when the display device 100 or the like is reduced in size and applied to the contact lens 300 while maintaining the relationship, stereoscopic display is possible. The resolution is lowered. Since the glasses are also arranged near the eyes, the resolution is similarly lowered.
  • the transparent display unit 140 is arranged closer to the lens array 130 than the focal plane of the lens array 130 on the user's eye 43 side. As a result, a virtual image of the element image of the transparent display unit 140 is formed on the background side. When this is viewed with the eye 43 through the lens array 130, a plurality of pixels can be seen through one lens. As a result, the resolution of the stereoscopic display can be increased. Note that this configuration is not limited to the contact lens 300, and can be applied to a display device used in the vicinity of the eyes of the user, such as glasses.
  • a plurality of lenses are two-dimensionally arranged in the lens array 110 and the like in FIGS.
  • the form of the lens array 110 is not limited to this, and a pair of lenticular lens sheets in which a semi-cylindrical lens stretched in one direction is arranged in a direction perpendicular to the stretching direction may be arranged in the horizontal and vertical directions.
  • Each of the plurality of lenses may be a physically convex microlens or a GRIN lens using a refractive distribution fiber.
  • the erecting equal-magnification imaging optical system may be configured by using four or more lens arrays 110 or the like.
  • illustration of the light shielding walls between the plurality of lenses is omitted, but the same light shielding walls as the light shielding walls 115, 125, 126, and 135 of FIG. 4 are provided. Is preferred.
  • the controller 170 can obtain the same operations and effects as in FIGS. 1 to 12 by controlling the light emission amount of the self-light-emitting element.
  • a mask image is not generated and neither side display is performed, either one of the pair of transparent display units 140 and the like may be omitted.
  • a color image may be displayed on the transparent display unit 140 or the like.
  • the backlight 160 emits light in three colors of RGB in a time-sharing manner, and the liquid crystal shutter 151 and the like are controlled accordingly.
  • the liquid crystal shutter 151 may be divided into sub-pixels provided with RGB color filters, and the transmittance may be controlled independently.
  • the self-luminous element may be divided into sub-pixels that emit RGB.

Abstract

　本発明は、レンズアレイを用いた場合でも、ユーザが背景を視認できる状態で当該背景に画像を重畳して表示することができる表示装置を提供することを目的とする。本発明の表示装置（１００）は、複数のレンズが配されたレンズアレイ（１１０，１２０，１３０）を３つ以上有し、３つ以上のレンズアレイ（１１０，１２０，１３０）により正立等倍結像系をなすべく配された光学系と、３つ以上のレンズアレイのいずれか２つの間であって、少なくともいずれかのレンズアレイの焦点面近傍に配された透明表示部（１４０，１８０）とを備え、透明表示部（１４０，１８０）は、可視光に対して透明な二次元的に配された複数の画素を有し、複数の画素のそれぞれについて、透過率および画像光の発光量の少なくとも一方を制御することにより画像を表示する。

Description

表示装置
　本発明は、表示装置に関する。
　液晶パネルの前面にレンズアレイを配することにより、インテグラルイメージングにより裸眼で立体を表示する立体画像表示装置がある（例えば、非特許文献１を参照）。
［非特許文献１］J.-H. Park, et al., "Recent progress in three-dimensional information processing based on integral imaging," Appl. Opt., vol. 48 no. 34, H77-H94 (2009).
　上記立体画像表示装置においては、液晶パネルの前面にレンズアレイが配されているので、液晶パネルを透明にしたとしても、背景光が当該レンズアレイで拡散される。よって、ユーザが背景を視認できる状態で当該背景に画像を重畳して表示することができなかった。
　本発明の第１の態様においては、表示装置であって、複数のレンズが配されたレンズアレイを３つ以上有し、３つ以上のレンズアレイにより正立等倍結像系をなすべく配された光学系と、３つ以上のレンズアレイのいずれか２つの間であって、少なくともいずれかのレンズアレイの焦点面近傍に配された透明表示部とを備え、透明表示部は、可視光に対して透明な二次元的に配された複数の画素を有し、複数の画素のそれぞれについて、透過率および画像光の発光量の少なくとも一方を制御することにより画像を表示する。
　本発明の第２の態様においては、上記表示装置であって、３つ以上のレンズアレイのそれぞれにおける複数のレンズを通る光線は、面方向の外側ほど面中心方向に傾けられる。
　本発明の第３の態様においては、上記表示装置であって、透明表示部がユーザの目の側のレンズアレイにおける焦点面よりも当該レンズ側に配されることにより、目に透明表示部の虚像を結像させる。
　なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本実施形態の表示装置１００が用いられる状況を示す概念図である。 表示装置１００の断面を概略的に示す。 液晶パネル１５０等の画素配列を概念的に示す分解斜視図である。 表示装置１００における表示動作を説明するための概略断面図である。 表示装置１００により画像２１が背景に重畳された状態をユーザ側から見た概念図である。 他の表示装置１０２の構成および動作を説明する概略断面図である。 他の表示装置１０２の構成および動作を説明する概略断面図である。 表示装置１０２の他の動作を説明する概略断面図である。 本実施形態にかかるメガネ２００の概略を示す斜視図である。 右目レンズ２１０の断面を概略的に示す。 他の右目レンズ２１２の断面を概略的に示す。 本実施形態にかかるコンタクトレンズ３００の断面を概略に示す。
　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
　図１は、本実施形態の表示装置１００が用いられる状況を示す概念図である。表示装置１００は、背景の例としての窓１０およびテーブル１２よりもユーザ４０の手前側に配される。表示装置１００は、スタンド等を用いて下方から支えられてもよいし、壁や天井に吊るされてもよいし、ユーザ４０が手で持ってもよい。表示装置１００は、これに代えてタブレットや携帯電話等の携帯端末であってもよい。
　表示装置１００は、背景からの光線群をユーザ４０の側に再現しつつ、当該背景からの光線群に重畳して画像２０を表示する。画像２０は、インテグラルイメージングによる立体表示画像であることが好ましいが、これに限られず、二次元画像であってもよい。
　図２は、表示装置１００の断面を概略的に示す。図２を用いて、背景の光線群がユーザ４０の側に再現される原理を説明する。
　表示装置１００は、背景側からユーザ４０の側に向かって、レンズアレイ１１０、透明表示部１８０、レンズアレイ１２０、透明表示部１４０およびレンズアレイ１３０を備える。上記レンズアレイ１１０、１２０、１３０が結像系を構成する。
　レンズアレイ１１０は、複数のレンズ１１２、１１３、１１４等が２次元的に配される。同様に、レンズアレイ１２０、１３０のそれぞれには、複数のレンズ１２２、１２３、１２４、１３２、１３３、１３４等が２次元的に配される。レンズアレイ１１０、１２０、１３０の複数のレンズ１１２、１２２、１３２等は互いに対応した位置に配されている。なお、レンズは説明の都合上で３つづと少ない数で描かれているが、数に関する限定はない。
　レンズアレイ１１０、１３０の複数のレンズ１１２、１３２等が焦点距離ｆを有し、レンズアレイ１２０の複数のレンズ１２２等が焦点ｆ／２を有する場合に、図２に示すようにレンズアレイ１１０、１２０、１３０が距離２ｆの間隔で配される。これにより、レンズアレイ１１０、１２０、１３０からなる光学系は、レンズアレイ１１０から背景側へ距離２ｆの物体面とレンズアレイ１３０からユーザ４０側へ距離２ｆの像面に対して正立等倍結像光学系をなし、物体面の背景の光線群が、像面に再現されコピーされる。各レンズ１１２、１２２、１３２等で背景が結像されるので、背景の解像度はレンズの数ではサンプリングされない。
　透明表示部１４０は、液晶パネル１５０とバックライト１６０とを有する。バックライト１６０は可視光に対して透明であって、液晶パネル側にのみ例えば白色を発光する。一方、図２における透明表示部１８０は、液晶パネル１８５を含むが、バックライトは含まなくてよい。
　表示装置１００はさらに、透明表示部１４０、１８０を制御する制御部１７０を備える。制御部１７０は、液晶パネル１５０、１８５の画素の各々の透過率を制御する。なお、制御部１７０からの特定の制御状態において、液晶パネル１５０、１８５の各画素はいずれも可視光に対して透明である。また、液晶パネル１５０、１８５の各画素はいずれも加えられた電圧に応じて、透過率が制御される。
　透明表示部１４０と透明表示部１８０とは、上記光学系に対して共役な位置に配される。図２に示す例において、透明表示部１４０は、レンズアレイ１２０とレンズアレイ１３０との間であって、それらの焦点面またはその近傍に配される。同様に、透明表示部１８０は、レンズアレイ１１０とレンズアレイ１２０との間であって、それらの焦点面またはその近傍に配される。
　図３は、液晶パネル１５０の画素配列を概念的に示す。液晶パネル１５０には、互いに独立してその透過率が制御可能な複数の液晶シャッタ１５１が二次元的に配されている。液晶シャッタ１５１のそれぞれが画素に対応する。
　レンズアレイ１１０等の複数のレンズの一つづつに対して、液晶シャッタ１５１の複数個づつが対応した位置に配される。当該複数個の液晶シャッタ１５１により、液晶シャッタ群１５２、１５３、１５４等が構成される。図３に示す例において、液晶シャッタ群１５２等には４行４列の計１６個の液晶シャッタ１５１が含まれる。図中、液晶シャッタ群１５２等の境界が太線で示されている。
　これら複数の液晶シャッタ群１５２等における互いに対応した位置の画素Ａの集合によって、インテグラルイメージングにおける一つの画像２０が形成される。同様に、複数の液晶シャッタ群１５２等における互いに対応した位置の画素Ｂ、Ｃ、Ｄの集合によって、インテグラルイメージングにおける画像２１、２２、２３が形成される。言い換えれば、複数個の画素に、複数のレンズのそれぞれの位置に対応した画像を表示することにより、インテグラルイメージングによる立体画像を表示する。このように、液晶シャッタ群１５２等はインテグラルイメージングの要素画素を構成する。
　なお、上記画素ＡからＤは説明のための例示であって、液晶シャッタ群１５２等に１６個の画素が含まれていることに対応して、１６個の画像を形成することができる。また、液晶シャッタ群１５２等に含まれる液晶シャッタ１５１の数は１６個に限られない。また、当該個数は、インテグラルイメージングで用いる画像の数と同じであってもよいし、それよりも多くてもよい。
　液晶パネル１８５の液晶シャッタ１８１は、液晶パネル１５０の液晶シャッタ１５１に対応する位置、すなわち光学的に共役な位置に配される。この場合、液晶パネル１８５の液晶シャッタ群に含まれる液晶シャッタ１８１の個数は、液晶パネル１５０の液晶シャッタ群１５２等に含まれる液晶シャッタ１５１の個数と同じである。これに変えて、いずれか一方の液晶シャッタがさらに細分化されて互いに異なる個数となってもよい。
　図４は、表示装置１００における表示動作を説明するための概略断面図である。図５は、表示装置１００により画像２１が背景に重畳された状態をユーザ側から見た概念図である。
　透明表示部１４０、１８０の各画素は二次元的に共役な位置に配されているが、図４では説明の都合上、一次元的に共役な位置で代用して説明する。また、制御部１７０からの制御によりバックライト１６０が点灯しているものとする。さらに、図５は、インテグラルイメージングに用いられる複数の画像のうち、画像２１を代表して示した。
　図４に示すように、レンズアレイ１１０の隣接するレンズ間には遮光壁１１５が設けられることが好ましい。同様に、レンズアレイ１３０の隣接するレンズ間には遮光壁１３５が設けられることが好ましい。レンズアレイ１２０の隣接するレンズ間にも遮光壁１２５、１２６が設けられることが好ましい。
　表示装置１００の制御部１７０は、透明表示部１４０、１８０の画素の各々の透過率を制御する。これにより、表示装置１００は各画素について、独立に、（１）背景が画像から透けて見える、（２）背景光を遮断して画像光を表示する、（３）背景光も画像光も遮断する、のいずれかを選択することができる。
　背景が画像から透けて見える場合について説明する。例えば、図４におけるレンズアレイ１１０のレンズ１１２に対応する位置に含まれる、液晶パネル１８５の画素Ｂ１の透過率を最大または中間調にする。これにより、当該画素Ｂ１に入射した背景光がレンズアレイ１２０のレンズ１２２を介して、液晶パネル１５０における、対応する画素Ｂ１に入射する。ここで、透明表示部１４０の画素Ｂ１の透過率を最大または中間調にすれば、当該画素Ｂ１を見ることができる位置にいるユーザ４０には、背景光と画像光との両方が見える、すなわち、背景が画像から透けて見える。これにより、図５に示すように画素Ｂ１の位置に背景であるテーブル１２が見える。
　背景光を遮断して画像光を表示する場合について説明する。例えば、図４におけるレンズアレイ１１０のレンズ１１３に対応する位置に含まれる、液晶パネル１８５の画素Ｂ２の透過率を最小にする。これにより、当該画素Ｂ２に入射した背景光は遮光されて、液晶パネル１５０における、対応する画素Ｂ２には入射しない。ここで、透明表示部１４０の画素Ｂ２の透過率を最大または中間調にすれば、当該画素Ｂ２を見ることができる位置にいるユーザ４０には、背景光が遮断され、画像光からなる画像が見える。これにより、図５の画素Ｂ２の位置には、背景である窓１０が遮光されて、画像２１が見える。
　背景光も画像光も遮断する場合について説明する。この場合、図４におけるレンズアレイ１１０のレンズ１１４に対応する位置に含まれる、液晶パネル１８５の画素Ｂ３の透過率はいずれであってもよい。液晶パネル１５０における、対応する画素Ｂ３の透過率を最小にすれば、当該画素Ｂ３を見ることができる位置にいるユーザ４０には、背景光および画像光が遮断され、黒画像が見える。これにより、図５の画素Ｂ３の位置には、画像２１の一部としての黒が見える。
　以上、本実施形態によれば、表示装置１００は透明表示部１４０および透明表示部１８０の対応する画素同士の透過率を制御することにより、背景からの光線群をユーザ４０の側に再現しつつ、当該背景からの光線群に重畳した画像を表示することができる。特に、ユーザ４０に対して裸眼の状態で、レンズアレイ１３０を用いてインテグラルイメージングにより立体表示しつつ、背景を見かけ上そのまま再現することができる。
　さらに、表示装置１００において、図５の画素Ｂ２のように、制御部１７０は、透明表示部１４０の複数の画素の透過率を制御して、画像を表示するとともに、透明表示部１８０における複数の画素の透過率を制御して、透明表示部１４０の画像と重なる背景光を遮断するマスク画像を表示する。これにより、背景光が透けて見える煩わしさが解消できる。
　図６および図７は、他の表示装置１０２の構成および動作を説明する概略断面図である。表示装置１０２において表示装置１００と同一の構成には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
　表示装置１０２においては、表示装置１００における透明表示部１８０に、バックライト１８６が追加されている。バックライト１８６は、バックライト１６０と同一であってよい。
　図６は、透明表示部１４０の側に表示画像を生成しつつ、透明表示部１８０の側にマスク画像を形成する第１の状態を示す。透明表示部１８０の画素Ｂ４の透過率を最小にするとともに、透明表示部１４０における対応する画素Ｂ４の透過率を最大または中間調にする。さらに、バックライト１６０は点灯させるが、バックライト１８６は消灯しておく。透明表示部１４０の画素Ｂ４と透明表示部１８０の画素Ｂ４とは光学的に共役な関係にあるので、画素Ｂ４の画像光は透明表示部１４０に近い側のユーザ４０に到達するが、透明表示部１８０に近い側のユーザ４１には到達しない。
　図７は、透明表示部１４０の側にマスク画像を生成しつつ、透明表示部１８０の側に表示画像を形成する第２の状態を示す。透明表示部１４０の画素Ｂ５の透過率を最小にするとともに、透明表示部１８０における対応する画素Ｂ５の透過率を最大または中間調にする。さらに、バックライト１８６は点灯させるが、バックライト１６０は消灯しておく。これにより、画素Ｂ５の画像光は透明表示部１８０に近い側のユーザ４１に到達するが、透明表示部１４０に近い側のユーザ４０には到達しない。
　制御部１７０は、図６に示す第１の動作と図７に示す第２の動作とを時分割で切り替えることにより、表示装置１０２に対して互いに反対側に位置するユーザ４０、４１のそれぞれに、独立した表示画像を表示することができる。
　図８は、表示装置１０２の他の動作を説明する概略断面図である。図８においては、図６および図７のように時分割することに変えて、空間分割により両側のユーザ４０、４１のそれぞれに、画像を表示する。
　図８の例において、透明表示部１４０および１８０の要素画像単位で、表示画像に用いるかマスク画像に用いるかが割り当てられる。例えば、レンズ１１２に対応する透明表示部１８０の要素画像はマスク画像に用いられ、これと共役な透明表示部１４０の要素画像は表示画像に用いられる。一方、レンズ１１３に対応する透明表示部１８０の要素画像は表示画像に用いられ、これと共役な透明表示部１４０の要素画像はマスク画像に用いられる。これにより、図８の画素Ｂ６のように、一方の表示画像がユーザ４０に到達するがユーザ４１には遮光され、画素Ｂ７のように他方の表示画像はユーザ４１には到達するがユーザ４０には到達しない。
　なお、複数の要素画像からなる画素領域毎にいずれの画像に用いるかが割り当てられることが好ましい。バックライトの発光も画素領域ごとに制御できることが好ましい。さらに、当該割り当てを時間毎に切り替えてもよい。
　以上、図６から図８の実施形態によれば、インテグラルイメージングが双方向で対称化される。なお、図６から図８の実施形態において、透明表示部１４０、１８０の両方にインテグラルイメージングによる立体表示がされてもよいし、一方または両方が二次元画像であってもよい。
　図９は、本実施形態にかかるメガネ２００の概略を示す斜視図である。メガネ２００は、右目レンズ２１０、左目レンズ２２０およびこれらを保持するフレーム２３０を有する。メガネ２００の右目レンズ２１０がユーザの右目に対向し、左目レンズ２２０がユーザの左目に対向するように、ユーザに装着される。
　図１０は、右目レンズ２１０の断面を概略的に示す。右目レンズ２１０において、図１から図５の表示装置１００と同一の構成には同一の参照番号を付して、説明を省略する。また、左目レンズ２２０は右目レンズ２１０と同じ構成を有するので、説明を省略する。
　右目レンズ２１０は、ユーザの右目４２の近傍に配される。よって、表示装置１００を単に小型化して右目レンズ２１０としただけでは、当該表示装置１００の周辺部分からの光線が右目４２に入射しないおそれがある。
　そこで、レンズアレイ１１０等のそれぞれにおける複数のレンズを通る光線は、面方向の外側ほど面中心方向に傾けられる。図１０に示す例においては、レンズアレイ１３０よりも右目４２に近い側に凸レンズ２４０が配されるとともに、レンズアレイ１１０よりも右目４２から遠い側に凹レンズ２５０が配される。これにより、図中の斜線の領域において、周辺部分からの光線も右目４２に入射させることができる。
　図１１は、他の右目レンズ２１２の断面を概略的に示す。右目レンズ２１２において、複数のレンズのレンズピッチは、レンズアレイ２６０、２６２、２６４のうちユーザに近いほど狭い。すなわち、レンズアレイ２６２のレンズピッチはレンズアレイ２６０のレンズピッチより狭く、レンズアレイ２６４のレンズピッチはレンズアレイ２６２のレンズピッチより狭い。
　また、透明表示部２６８の画素ピッチも透明表示部２６６の画素ピッチよりも狭く設定されている。ここで、ピッチの大きさ以外の点で、レンズアレイ２６０、２６２、２６４は、右目レンズ２１０のレンズアレイ１１０、１２０、１３０と同一の構成であり、透明表示部２６６、２６８は、右目レンズ２１０の透明表示部２６６、２６８と同一の構成である。
　以上の構成により、レンズアレイ２６０等のそれぞれにおける複数のレンズを通る光線は、面方向の外側ほど面中心方向に傾けられる。よって、図中の斜線の領域において、周辺部分からの光線も右目４２に入射させることができる。なお、当該構成はメガネ２００に限られず、スマートフォン等、ユーザに対して近距離で使用される表示装置に適用することができる。
　図１２は、本実施形態にかかるコンタクトレンズ３００の断面を概略に示す。コンタクトレンズ３００において、図１から図１１と同じ構成については同じ参照番号を付して説明を省略する。
　コンタクトレンズ３００は、タブレット等に比べて小さいので、レンズアレイ１１０等に配されるレンズの数が少なくなる。図１から図１１の形態によるインテグラルイメージングでは、一つのレンズを通して一つの画素しか見えないので、その関係を保ったまま上記表示装置１００等を小型化してコンタクトレンズ３００に適用すると、立体表示の解像度が低くなる。メガネも目の近傍に配されるため、同様に解像度が低くなる。
　そこで、図１２に示すように、透明表示部１４０がユーザの目４３の側のレンズアレイ１３０における焦点面よりも当該レンズアレイ１３０の側に配される。これにより、背景側に透明表示部１４０の要素画像の虚像が結像される。これを、レンズアレイ１３０を通して目４３で見ると、一つのレンズを介して複数の画素が見えることになる。これにより立体表示の解像度を上げることができる。なお、当該構成はコンタクトレンズ３００に限られず、メガネ等、ユーザの目に近接して使用される表示装置に適用することができる。
　図１から図１２におけるレンズアレイ１１０等にはいずれも、複数のレンズが二次元的に配されている。レンズアレイ１１０の形態はこれに限られず、一方向に延伸した半円柱状のレンズが、延伸方向に直交する方向に並んだレンチキュラレンズシートを、水平および垂直方向に一対配したものであってもよい。また、複数のレンズのそれぞれは物理的に凸状のマイクロレンズであってもよいし、屈折分布型ファイバを用いたＧＲＩＮレンズであってもよい。また、レンズアレイ１１０等を４つ以上用いて、正立等倍結像光学系を構成してもよい。また、図６から図８、図１０から図１２において、複数のレンズ間の遮光壁の図示を省略したが、図４の遮光壁１１５、１２５、１２６、１３５と同様の遮光壁が設けられることが好ましい。
　図１から図１２における透明表示部１４０等は液晶シャッタを用いているが、他の透過率変調素子が用いられてもよい。さらに、透過率変調素子に代えて、有機ＥＬ等の自発光素子が用いられてもよい。この場合にはバックライト１６０等を省略することができる。制御部１７０は自発光素子の発光量を制御することにより、図１から図１２と同様の作用および効果を得ることができる。なお、マスク画像を生成せず、両側表示もしない場合には、一対の透明表示部１４０等のうちのいずれか一方を省略してもよい。
　透明表示部１４０等にカラー画像を表示してもよい。この場合に例えば、バックライト１６０を時分割でＲＧＢの三色に発光させて、それらに応じて液晶シャッタ１５１等が制御される。これに代えて、液晶シャッタ１５１がＲＧＢのカラーフィルタが設けられたサブ画素に分割されて独立に透過率が制御されてもよい。また、透明表示部１４０等に自発光素子が用いられる場合には、当該自発光素子がＲＧＢを発光するサブ画素に分割されていてもよい。
　なお、一対の透明表示部１４０、１８０等の両方に液晶シャッタが用いられる場合には、対向する偏光の透過軸方向が一致していることが好ましい。
　以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
　請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
　１０　窓、１２　テーブル、２０　画像、２１　画像、２２　画像、２３　画像、４０　ユーザ、４１　ユーザ、４２　右目、４３　目、１００　表示装置、１０２　表示装置、１１０　レンズアレイ、１１２　レンズ、１１３　レンズ、１１４　レンズ、１１５　遮光壁、１２０　レンズアレイ、１２２　レンズ、１２３　レンズ、１２４　レンズ、１２５　遮光壁、１２６　遮光壁、１３０　レンズアレイ、１３２　レンズ、１３３　レンズ、１３４　レンズ、１３５　遮光壁、１４０　透明表示部、１５０　液晶パネル、１５１　液晶シャッタ、１５２　液晶シャッタ群、１５３　液晶シャッタ群、１５４　液晶シャッタ群、１６０　バックライト、１７０　制御部、１８０　透明表示部、１８１　液晶シャッタ、１８５　液晶パネル、１８６　バックライト、２００　メガネ、２１０　右目レンズ、２１２　右目レンズ、２２０　左目レンズ、２３０　フレーム、２４０　凸レンズ、２５０　凹レンズ、２６０　レンズアレイ、２６２　レンズアレイ、２６４　レンズアレイ、２６６　透明表示部、２６８　透明表示部、３００　コンタクトレンズ

Claims (18)

  1. 　複数のレンズが配されたレンズアレイを３つ以上有し、前記３つ以上のレンズアレイにより正立等倍結像系をなすべく配された光学系と、
    　前記３つ以上のレンズアレイのいずれか２つの間であって、少なくともいずれかのレンズアレイの焦点面近傍に配された透明表示部と
    を備え、
    　前記透明表示部は、可視光に対して透明な二次元的に配された複数の画素を有し、前記複数の画素のそれぞれについて、透過率および画像光の発光量の少なくとも一方を制御することにより画像を表示する表示装置。
  2. 　前記透明表示部は、可視光に対して透明なバックライトと、前記複数の画素に対応した透過率変調素子と、を有する請求項１に記載の表示装置。
  3. 　前記透過率変調素子は、液晶シャッタである請求項２に記載の表示装置。
  4. 　前記透明表示部は、前記複数の画素のそれぞれに対応する自発光素子を有する請求項１に記載の表示装置。
  5. 　前記自発光素子は、有機ＥＬである請求項４に記載の表示装置。
  6. 　前記複数のレンズの一つづつに対して、前記透明表示部の前記複数の画素のうちの複数個づつが対応した位置に配され、
    　前記複数個の画素に、前記複数のレンズのそれぞれの位置に対応した画像を表示することにより、インテグラルイメージングによる立体画像を表示する請求項１から５のいずれか１項に記載の表示装置。
  7. 　前記光学系について前記透明表示部と共役な位置に配された、他の透明表示部をさらに備え、
    　前記他の透明表示部は、可視光に対して透明な二次元的に配された複数の画素を有し、
    　前記複数のレンズの一つづつに対して、前記他の透明表示部の前記複数の画素のうちの複数個つづが対応した位置に配され、
    　前記他の透明表示部の前記複数の画素のそれぞれについて、透過率および画像光の発光量の少なくとも一方を制御することにより画像を表示する請求項１から６のいずれか１項に記載の表示装置。
  8. 　前記他の透明表示部は、可視光に対して透明なバックライトと、前記複数の画素に対応した透過率変調素子と、を有する請求項７に記載の表示装置。
  9. 　前記他の透明表示部の前記透過率変調素子は、液晶シャッタである請求項８に記載の表示装置。
  10. 　前記他の透明表示部は、前記複数の画素のそれぞに対応する自発光素子を有する請求項７に記載の表示装置。
  11. 　前記他の透明表示部の前記自発光素子は、有機ＥＬである請求項１０に記載の表示装置。
  12. 　前記透明表示部および前記他の透明表示部のそれぞれの、前記複数の画素の透過率および画像光の発光量の少なくとも一方を制御する制御部をさらに備え、
    　前記制御部は、前記透明表示部の前記複数の画素の透過率および画像光の発光量の少なくとも一方を制御して、前記画像を表示するとともに、前記他の透明表示部における、前記透明表示部の前記複数の画素と共役な前記複数の画素の透過率を制御して、前記他の透明表示部の画像として、前記透明表示部の画像と重なる背景光を遮断するマスク画像を表示する請求項７から１１のいずれか１項に記載の表示装置。
  13. 　前記透明表示部および前記他の透明表示部のそれぞれの、前記複数の画素の透過率および画像光の発光量の少なくとも一方を制御する制御部をさらに備え、
    　前記制御部は、
    　前記透明表示部の前記複数の画素の透過率および画像光の発光量の少なくとも一方を制御して、前記画像を表示するとともに、前記他の透明表示部における、前記透明表示部の前記複数の画素と共役な前記複数の画素の透過率を制御して、前記他の透明表示部の画像として、前記透明表示部の画像をマスクするマスク画像を表示する第一の状態と、
    　前記他の透明表示部の前記複数の画素の透過率および画像光の発光量の少なくとも一方をを制御して、前記画像を表示するとともに、前記透明表示部における、前記他の透明表示部の前記複数の画素と共役な前記複数の画素の透過率を制御して、前記透明表示部の画像として、前記他の透明表示部の画像をマスクするマスク画像を表示する第二の状態と
    を時分割で切り替える請求項７から１１のいずれか１項に記載の表示装置。
  14. 　前記他の透明表示部の、前記複数個の画素に、前記複数のレンズのそれぞれの位置に対応した画像を表示することにより、インテグラルイメージによる立体画像を表示する請求項１３に記載の表示装置。
  15. 　前記３つ以上のレンズアレイのそれぞれにおける前記複数のレンズを通る光線は、面方向の外側ほど面中心方向に傾けられた請求項１から１４のいずれか１項に記載の表示装置。
  16. 　前記複数のレンズのレンズピッチは、前記３つ以上のレンズアレイのうちユーザに近いほど狭い請求項１５に記載の表示装置。
  17. 　前記光学系は、前記３つ以上のレンズアレイよりもユーザに近い側に設けた凸レンズと、前記ユーザから遠い側に設けた凹レンズとをさらに有する請求項１５に記載の表示装置。
  18. 　前記透明表示部がユーザの目の側のレンズアレイにおける焦点面よりも当該レンズ側に配されることにより、前記目に前記透明表示部の虚像を結像させる請求項１から１４のいずれか１項に記載の表示装置。
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