JP4576131B2 - 立体的二次元画像表示装置及び立体的二次元画像表示方法 - Google Patents

Description

本発明は、二次元画像を立体的に表示する立体的二次元画像元表示システム及び立体的二次元画像表示方法に関する。

近年、室内装飾器具、販促用ディスプレイ、通信端末装置、ゲーム機器等では、臨場感、視認性、アミューズメント性を向上させる目的で、画像情報を立体的に再現することが種々の方法により試みられている。一般的に人間が対象物を立体視する生理的要因の一つに両眼視差（両眼で立体や遠近を異にする対象を見た時に生ずる視方向の差や両眼間の網膜像の差異）がある。この両眼視差による立体画像の再現法としては、目視者が偏光メガネをかけ、互いに異なった偏光状態に基づく左右の視差画像を目視する偏光方式があるが、目視者にとって偏光メガネの装着がわずらわしい欠点となる。

これに対し、偏光メガネを用いない立体画像表示法としては、レンチキュラーレンズ法が存在する。これは一画面に複数画面を潜像させ、一定幅の半円柱型レンズを水平方向につなぎ合わせた透過スクリーンを通して当該複数画面を見ることで、立体表現や動画表現を可能とする手法である。すなわち、半円柱型レンズの１ピッチ間に対応させて、複数画像の各々を鉛直方向にストライプ状に分断した画像を規則的に配列して、当該画面を見る方向や距離により変化するレンズの焦点位置と、そこに配置した画像の見え方により立体視を実現する。具体的には、立体画像の再現としては目視者の両目に対応した左右２枚の視差画像から交互に配列されたストライプ画像を、レンチキュラーレンズを用いて目視者の両目に供給して立体像を認識させている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２２１６４４号公報公報

上記したレンチキュラーレンズ法は、一画面に複数の画面を潜像させるため、撮像段階から目視者の両目に対応する視差画像を必要とし、この画像を供給するために多くの作業、例えばコンピュータ画像処理、レンチキュラーレンズ設計、レンズと画像との正確な組み合わせ作業が必要である。よって、レンチキュラーレンズを用いて立体的二次元画像を表示するディスプレイは高価になる傾向がある。

このような不具合を解消するものに、二次元画像をマイクロレンズアレイによって実像として結像させることで、簡単な構成で立体的二次元画像を表示する画像表示装置が提案されている。図１に示すように、この画像表示装置１は、立体像を含む二次元画像を平面状の画像表示面３ａに表示する表示部３と、画像表示面３ａに平行に離間して配置され、複数のレンズからなりかつ二次元画像の中の立体像よりも広い有効面積を有するマイクロレンズアレイ５及びこのマイクロレンズアレイ５の有効領域を包囲するレンズ枠領域７からなり、表示部３とは反対側に位置する空間に二次元画像の実像（結像）Ｐの結像面９を生成する画像伝達パネル１１とからなる。この画像表示装置１によれば、非常に簡単な構成で、立体像を含む二次元画像を立体的に表示することが可能である。また、偏光メガネを必要とすることなく、立体画像の解像度を低下させることもない。

しかしながら、上記の画像表示装置１は、簡易に二次元画像を立体的に表示できるが、一つの表示部３のみで表示を行うため、折角二次元画像を立体的な結像として表示させても、周囲と何ら関連のない孤立した画像となりがちで、奥行き違いを視認させる表現力が不十分であった。その結果、立体的二次元画像のより自然な表示には限界があり、十分な臨場感、視認性、アミューズメント性を得ることができなかった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、奥行き違いの大きい、高い表現力が得られ、立体的二次元画像をより自然に表示できる立体的二次元画像表示装置及び立体的二次元画像表示方法を提供し、もって、一層の臨場感、視認性、アミューズメント性の向上を図ることを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る立体的二次元画像表示装置は、二次元画像を表示する画像表示面を備えた表示部と、
該画像表示面に離間配置したマイクロレンズアレイを有し、前記画像表示面から出射する光を前記マイクロレンズアレイによって結像して立体的二次元画像を表示する画像伝達パネルと、
前記立体的二次元画像に対する上下左右の少なくともいずれかの任意な空間に画像表示面を配置した二次元画像直視パネルとを具備し、
前記立体的二次元画像に連動して前記二次元画像直視パネルに表示される画像の表示サイズ及び表示位置を変化することを特徴とする。

以下、本発明に係る立体的二次元画像表示装置及び立体的二次元画像表示方法の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図２は本発明の参考例に係る立体的二次元画像表示装置の二次元画像直視パネル起立状態を（ａ）、水平状態を（ｂ）に表した側面図である。
本参考例による立体的二次元画像表示装置１００は、画像表示装置２１と、二次元画像直視パネル２３とを主要な構成部材としてなる。図２において、立体的二次元画像表示装置１００は、主要な構成要素のみを概略的に示しているが、これら構成要素を図示しない筺体に内設するものであってもよい。

画像表示装置２１は、後に詳述するように、マイクロレンズアレイ４３（図５参照）を備えた画像伝達パネル２９を有し、この画像伝達パネル２９によって結像面５３に二次元画像を立体的に表示する。本明細書中では、結像面５３に表示される二次元画像を立体的二次元画像とも称す。一方、二次元画像直視パネル２３は、結像面に表示される立体的二次元画像に対する上下左右のいずれか任意な面に画像表示面が配置される。この画像表示面には、立体的二次元画像（結像）と関連する画像が表示される。

図３は図２に示した二次元画像直視パネル２３の異なる可動機構の構成例を（ａ）（ｂ）（ｃ）に表した側面図である。
本参考例では、図３（ａ）に示すように二次元画像直視パネル２３が、任意の一辺部と同方向の回動軸２５によって回動自在に設けられている。これにより、簡単な構造で、二次元画像直視パネル２３を、画像表示装置（画像伝達パネル）２１の前方で平行に起立配置できるとともに、画像表示装置（画像伝達パネル）２１の前方で、立体的二次元画像（結像）に画像表示面２３ａを対面させて水平配置することができるようになっている。このような構成により、必要に応じて立体的二次元画像を視界から遮って、二次元画像直視パネル２３に表示された画像のみを見ることが出来るようになる。

図２において、立体的二次元画像（結像面）５３と二次元画像直視パネル２３との成す角度θは、９０度以上１３５度以下が好ましい。これにより、図４に示すように、二次元画像直視パネル２３を、画像表示装置（画像伝達パネル）２１の前方で水平配置した際、観察者によって立体的二次元画像（結像）２６と共に目視される二次元画像直視パネル２３の視認面積が最適となり、立体的二次元画像（結像）２６に対して違和感のない関連画像２８（例えば結像２６の影）を得ることができる。すなわち、立体的二次元画像（結像）２６と二次元画像直視パネル２３との成す角度が９０度以下の場合には二次元画像直視パネル２３の視認面積が小さくなり、関連画像２８の視認性が低下する一方、立体的二次元画像（結像）２６と二次元画像直視パネル２３との成す角度が１３５度以上の場合には立体的二次元画像（結像）２６と関連画像２８との距離が離れすぎ、立体的二次元画像（結像）２６と関連画像２８とに関連性を持たせることが困難となる。

二次元画像直視パネル２３を画像表示装置２１の前方で起立配置及び水平配置可能とする構成としては、この他、図３（ｂ）に示すように、二次元画像直視パネル２３の両側面のそれぞれを図示しない２点の回動・移動軸で支持し、図示しないガイドレール等に沿って当該回動・移動軸を移動させることで、図中破線で示した過程で二次元画像直視パネル２３を起立、水平配置可能に可動自在としてもよい。

また、図３（ｃ）に示すように、二次元画像直視パネル２３の上下略中央部を水平分割線によって上下に分割し、それぞれの分割二次元画像直視パネル２３ｅ、２３ｆを回動軸２５によって回動自在に支持することで、二次元画像直視パネル２３ｅ、２３ｆを起立、水平配置可能に可動自在としてもよい。なお、このような二次元画像直視パネル２３ｅ、２３ｆを二分割する構成では、二次元画像直視パネル２３ｅ、２３ｆが同一平面状に配置されて一画面を構成する際には、それぞれの二次元画像直視パネル２３ｅ、２３ｆに表示画像の上半分と下半分とを分割表示させる。また、それぞれの二次元画像直視パネル２３ｅ、２３ｆを水平配置した際には、立体的二次元画像（結像）である例えば車に関連する上方の画像（例えば空と雲）、下方の画像（例えば道路の車線）をそれぞれ独立に表示させる。

図５は図２に示した画像表示装置２１の断面図である。
画像表示装置２１は、表示部２７と、画像伝達パネル２９とに大別して構成される。表示部２７は、例えばカラー液晶表示装置（ＬＣＤ）３１を主要部材として備える。ＬＣＤ３１は、立体像を含む二次元画像を表示する平面状の画像表示面３１ａを有する。ＬＣＤ３１は、画像表示面３１ａのフラットなカラー液晶パネル３３、バックライト照明部３５及びカラー液晶駆動回路３７を備えている。カラー液晶駆動回路３７は、立体像を含む二次元画像のための映像信号を供給する映像信号供給部３９に接続されている。表示部２７には、ＬＣＤ３１に代えて、例えば、陰極線管、プラズマディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイなどが用いられても良い。

ＬＣＤ３１の周縁には支持部材４１が固定され、支持部材４１は画像伝達パネル２９を支持している。画像伝達パネル２９は、マイクロレンズアレイ４３と、マイクロレンズアレイ４３の有効領域を囲むレンズ枠体４５からなる。支持部材４１は、レンズ枠体４５を支持し、画像伝達パネル２９をカラー液晶パネル３３の画像表示面３１ａに対して平行に離間配置している。

マイクロレンズアレイ４３の有効面積は、カラー液晶パネル３３の画像表示面３１ａの面積と同一とされている。レンズ枠体４５は、黒色などの暗色を呈し、マイクロレンズアレイ４３の存在を目視者が意識する度合を抑制している。

図６は図５に示したマイクロレンズアレイの部分断面図である。
マイクロレンズアレイ４３は、二次元的に配置した複数の微小レンズから構成されている。マイクロレンズアレイ４３は、レンズアレイ半体４７ａ、４７ｂを２枚一組で一体化したマイクロ凸レンズ板である。マイクロ凸レンズ板では、各光軸が同軸に配置された１対の凸レンズからなるレンズ系の複数が、それら光軸が互いに平行となるように、二次元状に配列されている。
なお、上記の参考例中で示した、表示部２７、マイクロレンズアレイ４３は必ずしも互いに平行に設置されている必要はない。

図６の左側のレンズアレイ半体４７ａの左側面に形成された凸レンズ５１は、他の凸レンズ５２に対してその曲率が大きく形成されており、同図左側のレンズアレイ半体４７ａの像側焦点（結像面５３）とレンズ面との距離Ｌ２は、同図右側のレンズアレイ半体４７ｂのカラー液晶パネル３３とレンズ面との距離Ｌ１より長い。これにより、結像面５３は、画像伝達パネル２９より十分離間されている。

マイクロレンズアレイ４３は、表示部２７（図５参照）の前面に対して平行に、略凸レンズ５２の焦点距離Ｌ１だけ離れた位置に配置されると、表示部２７と反対側の焦点距離Ｌ２だけ離れる結像面５３に、表示部２７上に表示された画像を投影する。この投影された画像は二次元画像であるが、その画像が奥行き感を持つもの（立体的）である場合、空間上に浮いて表示されていることから、ユーザーからはあたかも立体画像が映し出されているように見える。

なお、表示部２７に表示された二次元画像は、一方のレンズアレイ半体４７ｂを通過する際に一旦逆さに反転されるが、再び他方のレンズアレイ半体４７ａを通過することで再び反転される。これにより、画像伝達パネル２９は、表示部２７に表示された二次元画像を結像面５３上に正立の立体的二次元画像として表示することができる。
なお、上記の参考例中で示した、マイクロレンズアレイ４３は、レンズアレイ半体４７ａ、４７ｂを２枚一組で一体化させるとしたが、必ずしもこのような構成でなくてもよい。例えば、レンズアレイ半体を一組で構成することもできる。但し、このような構成では、マイクロレンズアレイ半体を構成するレンズの一つ一つがそれぞれ結像する画像が反転して表示されるため、表示部２７の一つの表示画素に対して一つのレンズを割り当てるようにマイクロレンズアレイ半体を構成する必要がある。

図５に戻って、二次元画像直視パネル２３は、例えばカラー液晶表示装置（ＬＣＤ）からなる。二次元画像直視パネル２３は、二次元画像を表示する平面状の画像表示面２３ａを有する。二次元画像直視パネル２３は、画像表示面２３ａのフラットなカラー液晶パネル、図示しないバックライト照明部及びカラー液晶駆動回路５５を備えている。カラー液晶駆動回路５５は、二次元画像のための映像信号を供給する映像信号供給部５７に接続されている。

映像信号供給部３９と映像信号供給部５７とには図示しない制御部が接続され、制御部はこれらに送出する映像信号相互の表示モードや二次元画像直視パネル２３の配置姿勢を制御する。すなわち、図５に示すように、二次元画像直視パネル２３が水平配置された場合には、制御部は、映像信号供給部３９から立体像を含む二次元画像信号を送出させ、映像信号供給部５７から立体的二次元画像（結像）と関連する二次元画像信号を送出させる。一方、二次元画像直視パネル２３が結像面５３の前方で起立配置された状態（図５の破線の状態）では、二次元画像表示モードとなり、映像信号供給部５７からＴＶやＤＶＤなどの通常の二次元画像信号を送出させ、映像信号供給部３９からの画像信号の送出を停止させる。このような二次元画像直視パネル２３の配置姿勢ごとの制御は、回動軸２５等に角度センサを設け、二次元画像直視パネル２３の回転角度を検出することや、二次元画像直視パネル２３を回転モータ等により動かすことにより、自動で制御の切り替えを可能にすることができる。

次に、上記した立体的二次元画像表示装置の動作を説明する。
図７は二次元画像直視パネルに表示される画像例を（ａ）（ｂ）で表した正面図、図８は本発明をカーナビゲーションシステムの表示に応用した一例であり、立体的二次元画像で表示した標識６１及び方向を示す矢印６３の下部に配置した二次元画像直視パネル２３に地図情報６５を表示している。すなわち、二次元画像直視パネル２３を水平配置させて画像伝達パネル２９と同時駆動することによって得られる画像を（ａ）、案内情報の他の例を（ｂ）に表した説明図である。
立体的二次元画像表示装置１００では、図２（ａ）に示したように、二次元画像直視パネル２３が画像伝達パネル２９の前方で画像伝達パネル２９と略平行に配置可能となる。この二次元画像表示モードでは、画像伝達パネル２９を遮った二次元画像直視パネル２３によって、図７（ａ）に示すＴＶやＤＶＤ、或いは図７（ｂ）に示す二次元のカーナビゲーションなどの通常の二次元画像のみを表示させる。

一方、図２（ｂ）に示すように、二次元画像直視パネル２３が回動軸２５（図３（ａ）参照）によって回転され、後方へ倒されて水平配置されると、制御部によって立体的二次元画像モードへ切り替えが行われ、画像表示装置２１には立体的二次元画像が結像面５３に表示され、二次元画像直視パネル２３にはこの立体的二次元画像（結像）に関連した画像が表示される。具体例としては、結像面５３に、例えば図８（ａ）に示すように、標識６１や進行方向を表す矢印６３が立体的二次元画像として表示され、二次元画像直視パネル２３には道路地図６５と、矢印６３の影６７が表示される。また、標識６１に代えて図８（ｂ）に示す道路案内表示６９なども表示することができる。

これにより、通常の二次元画像表示時には二次元画像直視パネル２３のみを駆動して表示を行うことができる一方、立体的二次元画像表示時には、二次元画像直視パネル２３を立体表示の補助表示装置として用いることができ、二次元画像直視パネル２３の利用効率を高めながら、視認効果を増大させることができる。また、通常の二次元画像表示時には、二次元画像直視パネル２３を起立させて画像伝達パネル２９を覆うことができるので、画像伝達パネル２９の保護効果も生ずると共に、必要に応じて立体的二次元画像を視界から遮って、二次元画像直視パネル２３に表示された画像のみを見ることが出来るようになる。

したがって、上記立体的二次元画像表示装置１００によれば、画像表示面から出射する光を画像表示面に離間配置したマイクロレンズアレイ４３によって結像させて二次元画像を立体的に表示する画像伝達パネル２９と、立体的二次元画像（結像）の上下左右の少なくともいずれか任意な面に画像表示面２３ａが配置されかつ立体的二次元画像（結像）と関連する画像が表示される二次元画像直視パネル２３とを備えたので、立体的二次元画像（結像）と二次元画像直視パネル２３の関連画像とが連動することで、立体的二次元画像（結像）とその周囲景色とが一体となって立体的な視覚効果をより高めることができ、奥行き違いの高い表現力を得ることができる。この結果、臨場感、視認性、アミューズメント性を一層向上させることができる。

また、立体的二次元画像表示方法によれば二次元画像を、マイクロレンズアレイ４３によって結像させて立体的に表示させ、かつ立体的二次元画像（結像）の上下左右の任意な面に配置した二次元画像直視パネル２３の画像表示面２３ａに、立体的二次元画像（結像）に関連する画像を表示させるので、立体的二次元画像（結像）と二次元画像直視パネル２３の関連画像とを連動させて、立体的二次元画像（結像）とその周囲景色とを一体の立体画像として取り込んで、立体的な視覚効果をより高めることができる。これにより、奥行き違いの高い表現力を得ることができ、臨場感、視認性、アミューズメント性を一層向上させることができる。

次に、本発明の第１の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置を説明する。
図９は本発明の第１の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置とその表示画像を正面から見た図で、サイズの大きな二次元画像が表示された図（ａ）と、サイズの小さな二次元画像が表示された図（ｂ）である。
この実施の形態による立体的二次元画像表示装置２００は、上記の立体的二次元画像表示装置１００と同一の構成を有し、その表示方法が上記の立体的二次元画像表示装置１００と異なる。すなわち、本実施の形態による立体的二次元画像表示装置２００では、立体的二次元画像である例えば妖精７１と、二次元画像直視パネルに表示されたその影７３とが、動きながら、異なる大きさで表示される。
したがって、この立体的二次元画像表示装置２００によれば、図９（ａ）（ｂ）のように立体的二次元画像である妖精の表示サイズに連動して、二次元画像直視パネルに表示された影のサイズと表示位置（観察者に対して近づく、遠ざかる）が変化することによって大きなサイズの妖精７１ａ、影７３ａに対し、小さなサイズの妖精７１ｂ、影７３ｂが後方に存在するかに見え、遠近感が生じて、奥行き違いが一層大きくなり、より高い表現力を得ることができるようになる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置を説明する。
図１０は本発明の第２の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置と表示される立体的二次元画像及び二次元画像直視パネルの表示画像とを正面から見た図である。
この実施の形態による立体的二次元画像表示装置３００は、立体的二次元画像（結像）の上下左右の全ての面に二次元画像直視パネル２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄが配置され、４つの二次元画像直視パネル２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄのうち任意の一つ例えば２３Ａが回動軸２５によって回動自在に設けられ、他の３つ２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄが固設されている。

この立体的二次元画像表示装置３００では、立体的二次元画像（結像）８０の上下左右に複数の二次元画像直視パネル２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄが設けられることで、立体的二次元画像（結像）を包囲する全ての周囲景色を関連画像として連動させることができる。例えば、図例のように、立体的二次元画像の車８０に対して二次元画像直視パネル２３Ａに車線８１、二次元画像直視パネル２３Ｂ、２３Ｄに並木８３、二次元画像直視パネル２３Ｃに雲８５の如きである。これにより、立体的二次元画像（結像）を包囲する周囲面の全てが効果的に利用され、立体的な視覚効果が最大限に高められる。

したがって、この立体的二次元画像表示装置３００によれば、奥行き違いの表現力を最大限で得ることができ、臨場感、視認性、アミューズメント性を最大に向上させることができる。また、立体的二次元画像（結像）を上下左右の二次元画像直視パネル２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄで包囲し、かつそのうちの一つ２３Ａを画像伝達パネル２９の前方で起立配置させる構成を簡単な構造で実現することができる。さらに、一つの二次元画像直視パネル２３Ａを起立配置させたときには、立体的二次元画像（結像）の形成空間が密閉可能となり、立体的二次元画像（結像）形成空間への塵埃などの防塵効果も得ることができる。

従来の画像表示装置の概略構成を表す斜視図である。 本発明の参考例に係る立体的二次元画像表示装置の二次元画像直視パネル起立状態を（ａ）、水平状態を（ｂ）に表した側面図である。 図２に示した二次元画像直視パネルの異なる可動機構の構成例を（ａ）（ｂ）（ｃ）に表した側面図である。 二次元画像直視パネルと立体的二次元画像とが成す角度を変更した場合の状態を示す説明図である。 図２に示した画像表示装置の断面図である。 図４に示したマイクロレンズアレイの部分断面図である。 二次元画像直視パネルに表示される画像例を（ａ）（ｂ）で表した正面図である。 二次元画像直視パネルと画像表示装置とを同時駆動することによって得られる画像を（ａ）、案内情報の他の例を（ｂ）に表した説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置とその表示画像とを正面から見た図で、大サイズの表示画像を（ａ）、小サイズの表示画像を（ｂ）に表した図である。 本発明の第２の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置とその表示画像とを正面から見た図である。

符号の説明

２３ 二次元画像直視パネル
２３ａ 画像表示面
２５ 回動軸
２７ 表示部
２９ 画像伝達パネル
３１ａ 画像表示面
４３ マイクロレンズアレイ
６１、６３、７１、８０ 立体的二次元画像（結像）
６５、６７、７３、８１、８３、８５ 関連する画像
１００、２００、３００ 立体的二次元画像表示装置

Claims (2)

1. 二次元画像を表示する画像表示面を備えた表示部と、
   該画像表示面に離間配置したマイクロレンズアレイを有し、前記画像表示面から出射する光を前記マイクロレンズアレイによって結像して立体的二次元画像を表示する画像伝達パネルと、
   前記立体的二次元画像に対する上下左右の少なくともいずれかの任意な空間に画像表示面を配置した二次元画像直視パネルと
   を具備し、
   前記立体的二次元画像に連動して前記二次元画像直視パネルに表示される画像の表示サイズ及び表示位置が変化することを特徴とする立体的二次元画像表示装置。
2. 表示部の画像表示面に表示した二次元画像を、該画像表示面に離間配置したマイクロレンズアレイによって結像し、前記画像表示面より前方で立体的二次元画像を表示し、
   かつ前記立体的二次元画像に対する上下左右の少なくともいずれかの任意な空間に配置した二次元画像直視パネルの画像表示面に前記立体的二次元画像に連動して表示サイズ及び表示位置が変化する画像を表示することを特徴とする立体的二次元画像表示方法。