JP2023008400A

JP2023008400A - 立体表示装置

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Publication number: JP2023008400A
Application number: JP2021111942A
Authority: JP
Inventors: 康博高木; Yasuhiro Takagi; 隆朗工藤; Takaaki Kudo
Original assignee: Imagica Group; Imagica Group Inc; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Current assignee: Imagica Group; Imagica Group Inc; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Priority date: 2021-07-06
Filing date: 2021-07-06
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2041-07-06
Also published as: JP7445627B2

Abstract

【課題】従来のレンズアレイ方式よりも視域角が広く、従来の開口アレイ方式よりも光の利用効率が高い立体表示装置を提供する。【解決手段】フラットパネルディスプレイ１にレンズアレイ２と開口アレイ３とを併用した立体表示装置に関し、レンズアレイ２の焦点面よりもフラットパネルディスプレイ１をレンズアレイ２側に寄せて配置し、フラットパネルディスプレイ１の要素画像を虚像結像により拡大して立体表示し得るように構成すると共に、開口アレイ３をレンズアレイ２に対しフラットパネルディスプレイ１と対峙する側でレンズアレイ２から離間した状態を成し且つその開口３ａがレンズアレイ２のレンズ２ａと対応した状態を成すように配置し、開口アレイ３の開口３ａの虚像３ａ’を通してフラットパネルディスプレイ１における画素１ａの虚像１ａ’が均等に並んで見えるように設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、立体表示装置に関するものである。

ライトフィールドディスプレイや多眼式ディスプレイ等の光線再生型の立体ディスプレイでは、光を光線として制御して立体表示を行うようにしており、この種の立体ディスプレイの構成方法としては、フラットパネル型とマルチプロジェククション型がある。フラットパネル型は構造がシンプルで薄型な実現が可能である。フラットパネル型の構成方法としては、フラットパネルディスプレイにレンズアレイを組み合わせるレンズアレイ方式と、フラットパネルディスプレイに開口アレイを組み合わせる開口アレイ方式とが知られている。

レンズアレイ方式では、図４に示すように、フラットパネルディスプレイ１の複数の画素１ａをレンズアレイ２の一つのレンズ２ａに対応させるようにしており、また、開口アレイ方式でも、図５に示すように、フラットパネルディスプレイ１の複数の画素１ａを開口アレイ３の一つの開口３ａに対応させるようにしている。このように一つのレンズ２ａや開口３ａに対応する複数の画素１ａを以下では要素画像と称している。

前記要素画像を構成する異なる画素１ａから出射された光線は、レンズ２ａや開口３ａにより異なる進行方向が与えられるが、このように多数のレンズ２ａや開口３ａから異なる方向に進む光線を発生することにより、三次元物体から発せられる多数の光線が再現されて立体表示できるようになっている。

尚、この種の立体表示装置に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。

特開２０１３－６８６８２号公報

しかしながら、レンズアレイ方式では、レンズ２ａの焦点面付近にフラットパネルディスプレイ１の画素１ａを配置するようにしており、視域を広げるためには、レンズ２ａの焦点距離を短くする必要があるが、焦点距離をレンズピッチ程度まで小さくすると、レンズ２ａ周辺部での収差が大きくなって光線方向を正確に制御できなくなる。

即ち、レンズアレイ方式では、レンズピッチに比べて焦点距離を小さくすることが難しいので、立体像の視域を大きくすることができないという課題があった。尚、視域の大きさの表し方としては、その幅をディスプレイから見た角度で表す視域角がよく用いられるが、図６に示すように、レンズピッチをq、レンズ２ａの焦点距離をfで表すと、視域角は2tan^-1(q/2f)で与えられることになる。焦点距離の短縮はレンズピッチqの1.5倍(f=1.5q)程度が限界であり、このときの視域角は36.9°となる。レンズアレイ方式では、光線方向の制御にレンズ２ａを用いるため、光の利用効率は高い。

これに対し、開口アレイ方式では、画素１ａから発せられる光線の広がりが大きいと、開口アレイ３と画素１ａの間隔を小さくすることで視域角を容易に大きくすることができる。図７に示すように、開口ピッチをqで、開口アレイ３と画素１ａの間隔をgで表すと、視域角は2tan^-1(q/2g)で与えられる。間隔gを開口ピッチqの半分にすれば、90°の視域角が得られる。

ただし、光線の進行方向のクロストークを小さくするためには、開口３ａの大きさを画素１ａの大きさ程度にする必要がある。即ち、要素画像の画素数をE_x×E_yとすると、水平垂直視差型では、開口３ａの大きさを(q/E_x)×(q/E_y)とする必要があり、光の利用効率は1/E_xE_yとなる。水平視差型では、開口３ａを縦長のスリットとするが、スリットの幅をq/E_xとする必要があるので、光の利用効率は1/E_xとなる。

ライトフィールドディスプレイでは、光線方向は一方向に8程度（E_x≧8,E_y≧8）は必要であるので、要素画像を構成する画素数を一方向に8以上にする必要がある。そのため、光の利用効率は、水平垂直視差型では1.56%で、水平視差型では12.5%と小さくなる。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、従来のレンズアレイ方式よりも視域角が広く、従来の開口アレイ方式よりも光の利用効率が高い立体表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、フラットパネルディスプレイにレンズアレイと開口アレイとを併用した立体表示装置であって、前記レンズアレイの焦点面よりも前記フラットパネルディスプレイを前記レンズアレイ側に寄せて配置し、前記フラットパネルディスプレイの要素画像を虚像結像により拡大して立体表示し得るように構成すると共に、前記開口アレイを前記レンズアレイに対し前記フラットパネルディスプレイと対峙する側で前記レンズアレイから離間した状態とし且つその開口が前記レンズアレイのレンズと対応するように配置し、前記開口アレイの開口の虚像を通して前記フラットパネルディスプレイにおける画素の虚像が均等に並んで見えるように設定したことを特徴とするものである。

更に、本発明をより具体的に実施するにあたっては、開口アレイの開口の虚像の幅をフラットパネルディスプレイにおける一つの画素の虚像の幅と一致させ、レンズアレイの一つのレンズを通して一つの画素の虚像が見えるように設定すると共に、前記レンズアレイの隣り合うレンズを通して前記フラットパネルディスプレイにおける画素の虚像が前記開口アレイの虚像により遮られる黒い部分を挟みつつ断続的に並んで見えるように設定することが可能である。

また、開口アレイの開口の虚像の幅をレンズアレイのレンズピッチと一致させ、前記レンズアレイの一つのレンズを通して複数の画素の虚像が見えるように設定すると共に、前記レンズアレイの隣り合うレンズを通してフラットパネルディスプレイの画素の虚像が連続的に並んで見えるように設定することも可能である。

また、色画素を有するフラットパネルディスプレイを採用し、該フラットパネルディスプレイに要素画像をカラー表示し得るように構成することも可能である。

上記した本発明の立体表示装置によれば、従来のレンズアレイ方式よりも視域角が広く、従来の開口アレイ方式よりも光の利用効率が高い立体表示装置を実現することができ、特に開口アレイをレンズアレイから離間した状態でしか配置できない場合であっても、空間周波数に大きな偏りを生じさせることなく良好な画質を保持することができるという優れた効果を奏し得る。

本発明の第一実施例を示す模式図である。本発明の第二実施例を示す模式図である。本発明のカラー化に用いる一手法について説明する模式図である。従来のレンズアレイ方式について説明する模式図である。従来の開口アレイ方式について説明する模式図である。従来のレンズアレイ方式の視域角について説明する模式図である。従来の開口アレイ方式の視域角について説明する模式図である。本発明の特許出願人らによる先行出願について説明する模式図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明の第一実施例を示すもので、図４～図７と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

先ず、以下に本発明の第一実施例を説明するのに先立ち、本発明の特許出願人らが既に特願２０２０－６８７５６号として先行出願している立体表示装置につき図８を用いて説明しておくと、この先行出願における立体表示装置では、フラットパネルディスプレイ１にレンズアレイ２と開口アレイ３の両方を組み合わせた虚像結像モードを用いることで、レンズアレイ方式に比べて大きな視域角と、開口アレイ方式に比べて高い光の利用効率を実現するようにしており、図１に示すように、レンズアレイ２の焦点面よりもフラットパネルディスプレイ１をレンズアレイ２側に寄せて配置し、開口アレイ３をフラットパネルディスプレイ１と対峙する側に近接させた状態でレンズアレイ２と開口３ａを対応させて配置するようにしている。

このようにレンズアレイ２の焦点面よりレンズアレイ２側に寄せてフラットパネルディスプレイ１を配置すると、該フラットパネルディスプレイ１の画素１ａが虚像結像により拡大される。即ち、要素画像が拡大されるため、従来のレンズアレイ方式に比べて視域角が広がる。

より具体的には、レンズアレイ２と画素１ａの距離をs_p、レンズアレイ２と画素１ａの虚像１ａ’の距離をs_p'で表すと、1/s_p-1/s_p'=1/fの関係が成り立ち、要素画像が拡大されるため、従来のレンズアレイ方式に比べて視域角が広がることになり、その視域角は2tan^-1(q/2s_p)で与えられる。

この方法では、視域角を拡大するためにレンズ２ａの焦点距離を短くする必要はないが、レンズ２ａへの光線の入射角が大きくなって、レンズ２ａ周辺部で収差の影響が大きくなるので、収差が大きくなるレンズ２ａ周辺部を開口アレイ３で遮光するようにしている。

また、視域角を大きくするためには、レンズ２ａと画素１ａの間隔をある程度小さくする必要があるが、この場合は画素１ａの虚像１ａ’の倍率が小さくなるため、レンズ２ａを通して複数の画素１ａの虚像１ａ’が見えるようになり、画素１ａの虚像１ａ’倍率はM_p=s_p'/s_pで与えられることになる。

そこで、光線間のクロストークを小さくしてボケの少ない立体表示を可能にするため、開口アレイ３の開口３ａの大きさを画素１ａの虚像１ａ’の大きさに一致させ、一つのレンズ２ａを通して一つの画素１ａが見えるようにしている。即ち、画素１ａの幅をp、開口３ａの幅をaとした場合に、a=M_ppとなるようにする。この場合、開口３ａの大きさは、従来の開口アレイ方式に比べて大きくなるため、従来の開口アレイ方式に比べて光の利用効率が向上することになる。

このようにフラットパネルディスプレイ１にレンズアレイ２と開口アレイ３とを併用すれば、ボケの少ない立体表示としながら、従来のレンズアレイ方式よりも視域角が広く、従来の開口アレイ方式よりも光の利用効率が高い立体表示装置とすることができる。

ただし、この図８に示す如く、レンズアレイ２に対し開口アレイ３を近接させた状態で配置できれば理想的であるが、現実的には製作上の制約等から開口アレイ３をレンズアレイ２から離間した状態でしか配置できない場合があり、そのような場合には、開口アレイ３がレンズアレイ２から離間していることにより、フラットパネルディスプレイ１の画素１ａだけでなく開口アレイ３の開口３ａも虚像結像することになる。

そこで、開口アレイ３をレンズアレイ２から離間した状態でしか配置できない場合を想定し、このような配置条件でも一つのレンズ２ａを通して一つの画素１ａが見えるようにするため、前記開口アレイ３の開口３ａの虚像３ａ’を通して前記フラットパネルディスプレイ１における一つの画素１ａの虚像１ａ’が均等に並んで見えるように設定した図１の立体表示装置を新たに提案するに到った。

即ち、図１に示す如き第一実施例にあっては、開口アレイ３がレンズアレイ２から離間した状態でフラットパネルディスプレイ１と対峙する側に配置されているが、このようになっている場合、前記開口アレイ３の開口３ａも虚像結像されるので、レンズアレイ２と開口３ａの距離をs_a、レンズアレイ２と開口３ａの虚像３ａ'との距離をs_a'で表すと結像式1/s_a-1/s_a'=1/fが成り立ち、結像倍率はMa=s_a'/s_aで与えられることになる。

依って、開口アレイ３の開口３ａの幅をaとすると、該開口３ａの虚像３ａ'の幅はM_aaで与えられるので、前記開口アレイ３の開口３ａの虚像３ａ'を通して前記フラットパネルディスプレイ１における一つの画素１ａの虚像１ａ’が見えるようにするためには、M_aa=M_ppとすればよいことになる。

この場合、前記開口アレイ３の虚像により遮られる部分が黒い部分として画素１ａの虚像１ａ’間に介在することになるが、画素１ａの虚像１ａ’のピッチ自体は等間隔となり、画素１ａの虚像１ａ’は黒い部分を挟みつつ断続的に並んで一定周期の均等な配列を形成するので、空間周波数に大きな偏りが生じることなく良好な画質を保持することが可能である。

更に、図２は本発明の第二実施例を示すもので、この第二実施例においては、前記開口アレイ３の開口３ａの虚像３ａ'を通して前記フラットパネルディスプレイ１における複数の画素１ａの虚像１ａ’が見えるようになっているが、前記開口アレイ３の開口３ａの虚像３ａ'の幅をレンズアレイ２のレンズピッチqと一致させ、前記レンズアレイ２の隣り合うレンズ２ａを通してフラットパネルディスプレイ１の画素１ａの虚像１ａ’が連続的に並んで見えるように設定している。

即ち、図２に示す如き第二実施例にあっても、図１の第一実施例と同様に、開口アレイ３がレンズアレイ２から離間した状態でフラットパネルディスプレイ１と対峙する側に配置されていて、前記開口アレイ３の開口３ａが虚像結像されるようになっているので、レンズアレイ２と開口３ａの距離をs_a、レンズアレイ２と開口３ａの虚像３ａ'との距離をs_a'で表すと結像式1/s_a-1/s_a'=1/fが成り立ち、結像倍率はMa=s_a'/s_aで与えられる。

依って、開口アレイ３の開口３ａの幅をaとすると、該開口３ａの虚像３ａ'の幅はM_aaで与えられるので、前記開口アレイ３の開口３ａの虚像３ａ'を通してm個の画素１ａの虚像１ａ’が見えるようにするためには、M_aa=mM_ppとすればよい。また、開口３ａの虚像３ａ’の幅がレンズピッチqと一致するようにするためには、M_aa=qとすればよい。尚、図２には、m=2の場合を示している。

この場合、レンズアレイ２の隣り合うレンズ２ａを通してフラットパネルディスプレイ１の画素１ａの虚像１ａ’が連続的に並んで見えるようになっているので、前記開口アレイ３の虚像により遮られる部分が黒い部分として画素１ａの虚像１ａ’間に介在することがなくなり、前述した図１の第一実施例の場合と同じく、空間周波数に大きな偏りを生じさせることなく良好な画質を保持することができることに加え、一つのレンズ２ａを通して見える画素数を増やすことができて、立体像の解像度を大幅に向上させることができる。

次に、カラー表示を行う場合について補足説明を加えておくと、図３に示す如く、このようにする場合には、ＲＧＢ［赤(Red)、緑(Green)、青(BLue)の三原色カラーモデル］の色画素１ｂを配置したフラットパネルディスプレイ１を採用し、該フラットパネルディスプレイ１が要素画像をカラー表示し得るように構成すればよく、従来のライトフィールドディスプレイや多眼式立体表示で用いられているカラー化の手法をそのまま利用することができる。

より具体的には、ＲＧＢの色画素１ｂが水平方向あるいは垂直方向に繰り返すＲＧＢストライプ配置のフラットパネルディスプレイ１を用いる場合、レンズピッチqを適切に設定することで、隣り合うレンズ２ａから見える色画素１ｂの虚像１ｂ’の色がＲＧＢと変わるようにすればよい。

ここで、図３に示している例は、図２の第二実施例の如く、一つのレンズ２ａを通して見える画素数が複数の場合について説明しているが、図１の第一実施例の如く、一つのレンズ２ａを通して見える画素数が一つの場合でも、隣り合うレンズ２ａから見える色画素１ｂの虚像１ｂ’の色がＲＧＢと変わるようにするところは同じである。

また、本提案を水平視差型で実現する場合には、一次元のレンズアレイ２であるレンチキュラレンズと、一次元の開口アレイ３であるパララックスバリアを用い、水平方向にのみ画素１ａの虚像結像と開口３ａの虚像結像を行わせるようにすればよい。

例えば、水平視差型では、レンチキュラレンズを傾けて用いることで、立体表示の水平解像度と垂直解像度のバランスを向上されることがよく行われているが、本発明においても、レンチキュラレンズとパララックスバリアを傾け、色画素１ｂの虚像結像と開口３ａの虚像結像も対応して水平方向から傾けた方向に行わせることで、立体表示の水平解像度と垂直解像度のバランスを向上させることができる。

尚、本発明の立体表示装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１フラットパネルディスプレイ
１ａ画素
１ａ’ 画素の虚像
１ｂ色画素
１ｂ’ 色画素の虚像
２レンズアレイ
２ａレンズ
３開口アレイ
３ａ開口
３ａ' 開口の虚像
p 画素の幅
q レンズピッチ（開口ピッチ）
f レンズの焦点距離
g 開口アレイと画素の間隔
s_p レンズアレイと画素の距離
s_p' レンズアレイと画素の虚像の距離
s_a レンズアレイと開口の距離
s_a' レンズアレイと開口の虚像の距離
a 開口アレイの開口の幅
M_p 画素の虚像倍率

Claims

フラットパネルディスプレイにレンズアレイと開口アレイとを併用した立体表示装置であって、前記レンズアレイの焦点面よりも前記フラットパネルディスプレイを前記レンズアレイ側に寄せて配置し、前記フラットパネルディスプレイの要素画像を虚像結像により拡大して立体表示し得るように構成すると共に、前記開口アレイを前記レンズアレイに対し前記フラットパネルディスプレイと対峙する側で前記レンズアレイから離間した状態とし且つその開口が前記レンズアレイのレンズと対応するように配置し、前記開口アレイの開口の虚像を通して前記フラットパネルディスプレイにおける画素の虚像が均等に並んで見えるように設定したことを特徴とする立体表示装置。
開口アレイの開口の虚像の幅をフラットパネルディスプレイにおける一つの画素の虚像の幅と一致させ、レンズアレイの一つのレンズを通して一つの画素の虚像が見えるように設定すると共に、前記レンズアレイの隣り合うレンズを通して前記フラットパネルディスプレイにおける画素の虚像が前記開口アレイの虚像により遮られる黒い部分を挟みつつ断続的に並んで見えるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。
開口アレイの開口の虚像の幅をレンズアレイのレンズピッチと一致させ、前記レンズアレイの一つのレンズを通して複数の画素の虚像が見えるように設定すると共に、前記レンズアレイの隣り合うレンズを通してフラットパネルディスプレイの画素の虚像が連続的に並んで見えるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。
色画素を有するフラットパネルディスプレイを採用し、該フラットパネルディスプレイに要素画像をカラー表示し得るように構成したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の立体表示装置。