JP2006293106A - 立体表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】飛び出るような立体表示像を画質よく、観察者が俯瞰して見ることができる立体表示装置を提供する。
【解決手段】画像表示装置１２とレンチキュラレンズ１４の間に観察者方向に光の向きを変えるプリズムシート１６１を具備させることによって、、視野角の一番よい画質で立体表示像を観察者が俯瞰して観察することができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、観察者が特別な眼鏡等を装着することなく、立体像の認識を可能とするために用いられる投射型の立体表示装置に関する。

平面表示装置（ＦＰＤ）上にレンチキュラレンズやスリットを配置することで立体像を提供できる立体表示装置が提案されている（特許文献１、２参照）。

例えば、特許文献１の立体表示装置では、平面上に平面表示装置を配置し、インテグラルフォトグラフィー法を用いて観察者が平面上に立体像を俯瞰できる。

また、特許文献２の立体表示装置では、平面状に配置した画像表示素子とその表示画素毎に配置されたレンズと、その各レンズから出射した光を曲げるプリズムとで構成され、画素ごとに決まった特定の位置に光を分配することによって、画面の周囲から立体像を俯瞰できる。
特開２００３−４３４１３公報 特許第３４７７６１１号公報

しかし、特許文献１の立体表示装置では、液晶など画像表示素子の光効率を高くするために、画面正面へ効率的に光を分配するように設計している。そのため、平面に置いた平面表示装置を俯瞰すると画像が暗く、コントラストが低下してしまうという問題点がある。

また、特許文献２の立体表示装置では、画素毎にプリズムを設置し、それぞれの角度や頂角を変化させるため、プリズムシートの作成及び設計に困難が伴うという問題点がある。

そこで、本発明は、飛び出るような立体表示像を画質よく、観察者が見ることができる立体表示装置を提供する。

本発明は、画像表示装置と光線制御素子によって画素毎に指向性を持たせ、前記画像表示装置によって表示された画像に基づいて立体表示像を表示する立体表示装置において、前記画像表示装置の正面に射出される立体表示像の光の向きを、俯瞰する観察者方向に変える偏向素子を配置したことを特徴とする立体表示装置である。

本発明であると、机上に飛び出るような立体表示像を画質よく提供できる。

以下、本発明の一実施形態の立体表示装置１０について図１〜図１４に基づいて説明する。

本実施形態の立体表示装置１０は、図２に示すように立体表示像が表示可能な画像表示装置１２、レンチキュラレンズ１４と、この立体表示像の光を、俯瞰する観察者方向に向きを変える偏向素子１４とから構成される。

以下、画像表示装置１２と、光線制御素子であるレンチキュラレンズ１４と、偏向素子１６とに分けて説明する。

（１）画像表示装置１２とレンチキュラレンズ１４の構成
図２に示すように、光線再生法またはインテグラルフォトグラフィー法（以下、ＩＰ法という）による画像表示装置１２が、例えば机の上に上向きに配置されている。この画像表示装置１２は、液晶表示装置から構成されている。この画像表示装置１２の表示面の前面にレンチキュラレンズ１４が配置されている。

画像表示装置１２には、表示されるべき立体表示像に対応した複数のパターン（多視点画像）を表示している。この複数のパターンは表示されるべき立体表示像をそれぞれ違う角度から見た画像パターンであり多視点画像ともいう。

光線再生法またはＩＰ法の原理により、立体表示像が画像表示装置１２の表示面に対して垂線方向である上方に再生される。すなわち、画像表示装置１２に表示された多視点画像がレンチキュラレンズ１４を介して観察者側に向かう光線群によって、レンチキュラレンズ１４の前方にいる観察者側に立体表示像が形成される。

（２）偏向素子１６の目的
画像表示装置１２を平面に置き、図１に示すように俯瞰するように観察する。このようにすると、主に次の３点の理由から垂直に設置された立体表示より存在感が増し、臨場感が高い表示となると考えられる。

一点目は、比較的近い観察距離の立体表示であるからである。平置きにすることで少なくとも身長より短い距離で観察する。両眼視差による立体知覚効果は近い距離ほど効果が大きくなるため、観察距離が近距離で管理できる平置きでは立体感が増す。

二点目は、高さの視差表示であるからである。縦置きではピント調節距離がディスプレイ面に固定され奥行き方向を視差を用いて立体表現するため、奥行き量が大きいコンテンツでは奥行き量とピント調節の矛盾が起きていた。これに対し、平置きでは奥行き方向に調節位置が変化でき高さ方向を視差を用いて表現を行うため、高さより奥行き量の大きいコンテンツでは、矛盾の少ない表現ができる。

三点目は、視野が広いからである。人間の視野は見上げる角度に対し見下ろす角度のほうの視野が広いことが知られている。そのため、見下ろす位置に表示を行うことによって視野が広く臨場感があがる。

以上により、画像表示装置１２を平面に置き俯瞰することが優位である。そのときに、画像表示装置１２の場合、斜めから観察するとコントラストや輝度が低下してしまうことが知られている。すなわち、視野角の制限が生じている。そのため、平面に置き立体表示像を観察するとコントラストや輝度が低下し、立体表示像の画質が劣化してしまう。

そこで、図２に示すように画像表示装置１２とレンチキュラレンズ１４の間に観察者方向に光の向きを変える偏向素子１６を具備させるか、または、図７に示すようにレンチキュラレンズ１４の上方に偏向素子１６を具備させる。これにより、視野角の一番よい画質で立体表示像を位置で観察することができる。

（３）偏向素子１６の第１の実施形態
偏向素子１６の第１の実施形態を図２に基づいて説明する。第１の実施形態は、偏向素子１６をプリズムシート１６１で実現する。

図６に基づいてプリズムシート１６１の効果について説明する。プリズムシート１６１は透明な物質で界面が傾いている。空気とプリズムシート１６１の屈折率の違いと界面の傾きによって、光を曲げることができる。

液晶表示装置から出力される視野角特性は図５に示すように視野角の角度が大きくなるとコントラストが低下する視野角の制限がある。そのため、角度特性を持った光をプリズムシート１６１を通し、光を曲げることによってコントラストの良い画像を俯角がついた位置で観察できる。

図２にプリズムシート１６１の上置き、図７に下置きの構成を示す。立体表示を行うために必要なレンチキュラレンズ１４の上部にプリズムシート１６１を設置するか、下部にプリズムシート１６１を設置するかの違いがある。

レンチキュラレンズ１４の上部に設置した場合、レンチキュラレンズ１４の稜線とプリズムシート１６１の稜線を図９で示すように直交することが考えられる。立体表示を行うとレンチキュラレンズ１４の稜線に直行した方向で画素がそれぞれ指向性を持つ。つまり画像表示装置１２の光はレンチキュラレンズ１４の稜線と直行した方向に曲がり、その光の方向性が立体表示の画質に関わる。逆にプリズムシート１６１がレンチキュラレンズ１４の稜線と直行していない場合、プリズムシート１６１の稜線に対する入射角が異なり、それぞれ立体表示の光の方向がプリズムシート１６１によって曲がってしまう。そのため立体表示の画質が低下することが考えられる。

しかし、レンチキュラレンズ１４の下部に設置する場合は、画像表示装置１２そのものの光をはじめに曲げてしまうため前記のようにレンチキュラレンズ１４とプリズムシート１６１の稜線を直行させる必要はない。

なお、モアレ模様をなくすために、プリズムシート１６１のプリズム幅を不均一にしてもよい。

（４）偏向素子１６の第２の実施形態
偏向素子１６の第２の実施形態を図８に基づいて説明する。第２の実施形態は、偏向素子１６をホログラムシート（ホログラム光学素子）１６２で実現する。

ホログラムシート１６２は光の回折現象を用いた光学素子である。プリズムシート１６１と同様に偏向効果がある。ホログラムシート１６２の利点は界面が平面なので映りこみの影響を受けづらい。

（５）偏向素子１６の第３の実施形態
偏向素子１６の第３の実施形態について図３、図１３に基づいて説明する。第３の実施形態は、偏向素子１６を、ＢＥＦ（輝度向上フィルム：Brightness Enhancement Film）１６３で実現する。

図１３に示すように本来、ＢＥＦ１６３は、液晶表示装置のバックライトの輝度向上のために用いている。液晶の特性として正面の光はよく透過し角度がきつくなるにしたがって特性が悪くなる。このためプリズム構造のシートを用いて屈折させることで正面の光を多く集め、バックライトからの角度がきつい光は二重反射によってリサイクルされる。

これを図３のようにＢＥＦ１６３をひっくり返して使用すると、正面から来た光を上下に有効に振り分けることができ、俯瞰している観察者方向に光を曲げることも可能となる。

ここで問題として画像表示装置１２上部からの映り込みによる外光がある。

ＢＥＦ１６３を裏側にすると反射光によって立体表示像が邪魔されてしまうことが考えられる。そこで、２つの解決方法がある。

第１の解決方法は、反射防止膜、例えば、多層膜による干渉によって反射光を抑える膜であるＡＲコートを施すことによって、反射光を少なくすることができる。

第２の解決方法は、反射光の偏向状態を用いる方法である。プリズム面で反射する光で観察者方向に来る光はプリズムの稜線と同じ方向の偏光成分となっている。これを偏光板によってカットすることによって反射光をカットする。液晶表示装置の偏光状態がこの偏光板と異なる場合は、プリズムと液晶表示装置の間に位相差板を入れ、偏光状態を合わせる。

（６）偏向素子１６の第４の実施形態
偏向素子１６の第４の実施形態について図４に基づいて説明する。第４の実施形態は、偏向素子１６をプリズムの頂角が鋭いＢＥＦ１６４として用い、前記で説明したＢＥＦ１６３と逆方向に設置することによって光を正面に変えている。例えば、ダイヤアート（三菱レーヨン株式会社の商標）を用いる。

図１４に示すように、ＢＥＦ１６４はプリズムの頂角を鋭くすることによって、界面の反射を用いて偏向を行っている。そのため、凸面を光源側に向けて使用する。俯角方向に偏向させるためには、ＢＥＦ１６４を図４のように凸面を観察者側に配置し、反射用いて前実施例と同様の効果を得ることができる。

（７）偏向素子１６の第５の実施形態
偏向素子１６の第５の実施形態を説明する。第５の実施形態は、ＢＥＦのように、異なる二つの傾きを持った界面をもったプリズムシートを用いると、２つの方向に光を分けることができる。立体表示装置１０を境に二人の観察者が向き合って観察する場合には有効になる。

（８）偏向素子１６の第６の実施形態
偏向素子１６の第６の実施形態について図１０に基づいて説明する。

偏向素子１６は、電子的に偏向をスイッチングすることもできる。そのときは液晶とプリズムを用いる。

図１０に示すように、プリズムを液晶で埋めて、配向状態によってプリズムの作用をオンオフするスイッチングプリズム１６５を形成する。俯角に合わせた画像表示装置１２の向きによってスイッチングプリズム１６５の偏向作用を変えることができる。

（９）偏向素子１６の第７の実施形態
偏向素子１６の第７の実施形態について図１１、１２を用いて説明する。

偏向角は平面に置かれた画像表示装置１２の観察者から遠い位置と近い位置で異なる。その偏向角を変化させることも考えられる。例えば、大きな画像表示装置１２の場合には、偏向方向も観察者位置に対して変化させることがよい。これを実現するために、観察距離を焦点距離とするフレネルレンズ１６６を用いる。

フレネルレンズ１６６とは、円形の曲率を持った稜線を持ち、プリズムの角度が場所によって変化するものであり、この変化は前記円形の中心（レンズの中心）として段階的に変化するもので、またその変化は、中心側ほど傾きが広い。そして、レンズの中心が図１１に示すように観察者の真下にある。

図１２に示すように、観察者の観察位置を中心とするようにフレネルレンズ１６６を配置し、画像表示装置１２のサイズに合わせて切り取ってフレネルレンズ１６６の一部を用い、画像表示装置１２からの光は観察者位置に集光することができる。画像表示装置１２の位置の違いによる俯角の変化にも対応できる。

なお、フレネルレンズ１６６の裏面にプリズムを形成して、より光を曲げるようにしてもよい。

（１０）偏向素子１６の第８の実施形態
偏向素子１６の第８の実施形態について説明する。

上記では、レンチキュラレンズ１４と偏向素子１６とは別体にして説明したが、これに代えて、レンチキュラレンズ１４の下面、または、上面に偏向素子１６を一体に設けても良い。例えば、レンチキュラレンズ１４の下面、または、上面にプリズムシート１６１を形成する。

（１１）変更例
本発明は上記各実施形態に限らず、その主旨を逸脱しない限り種々に変更することができる。

例えば、画像表示装置１２としては、液晶表示装置の代わりにプラズマディスプレイ、ＥＬ表示装置、ＣＲＴでもよい。

また、レンチキュラレンズ１４に代えて、光線制御素子としてはピンホールまたはマイクロレンズが二次元的に配置されたアレイ板でもよい。

また、光線制御素子は画像表示装置１２の表示面の上面に限らず、下面にも配置することができる。この場合には、画像表示装置１２を構成する液晶表示装置の液晶セルとバックライトとの間に配置する。

本発明の立体表示装置は、アーケードゲーム器の表示装置などに好適である。

本発明の一実施形態を示す立体表示装置の概念図である。 同じく立体表示装置の説明図であり、第１の実施形態の偏向素子の説明図である。 第３の実施形態のＢＥＦの説明図である。 第４の実施形態のＢＥＦの説明図である。 液晶表示装置の視野角とコントラストの関係を示すグラフである。 偏向素子の第３の実施形態の説明図である。 レンチキュラレンズと画像表示装置との間に偏向素子を配した説明図である。 第２の実施形態の偏向素子の説明図である。 レンチキュラレンズの稜線とプリズムシートの稜線が直交した状態を示す図である。 第６の実施形態の偏向素子の説明図である。 第７の実施形態の偏向素子であるフレネルレンズの正面図である。 第７の実施形態の偏向素子の説明図である。 第３の実施形態のＢＥＦの従来の説明図である。 第４の実施形態のＢＥＦの従来の説明図である。

符号の説明

１０ 立体表示装置
１２ 画像表示装置
１４ レンチキュラレンズ１４
１６ 偏向素子
１６１ プリズムシート
１６２ ホログラムシート
１６３ ＢＥＦ
１６４ ＢＥＦ
１６５ スイッチングプリズム
１６６ フレネルレンズ

Claims (17)

1. 画像表示装置と光線制御素子によって画素毎に指向性を持たせ、前記画像表示装置によって表示された画像に基づいて立体表示像を表示する立体表示装置において、
   前記画像表示装置の正面に射出される立体表示像の光の向きを、俯瞰する観察者方向に変える偏向素子を配置した
   ことを特徴とする立体表示装置。
2. 前記偏向素子を前記光線制御素子の上に配置した
   ことを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
3. 前記偏向素子を前記画像表示素子と前記光線制御素子との間に配置した
   ことを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
4. 前記偏向素子は、光を２方向に偏向させる
   ことを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
5. 前記偏向素子の偏向角が、前記画像表示装置の画面奥側ほど大きく曲がるようにした
   ことを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
6. 前記偏向素子がプリズムシートである
   ことを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
7. 前記プリズムシートのプリズム幅が不均一である
   ことを特徴とする請求項６記載の立体表示装置。
8. 前記偏向素子がＢＥＦである
   ことを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
9. 前記偏向素子がフレネルレンズである
   ことを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
10. 前記偏向素子がプリズムと液晶で構成されたスイッチングプリズムである
    ことを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
11. 前記光線制御素子がレンチキュラレンズであり、
    前記レンチキュラレンズの稜線と前記プリズムシートの稜線が直交する
    ことを特徴とする請求項６記載の立体表示装置。
12. 前記光線制御素子がレンチキュラレンズであり、
    前記レンチキュラレンズと前記プリズムシートとを一体成形した
    ことを特徴とする請求項６記載の立体表示装置。
13. 前記フレネルレンズの裏面にプリズムを一体成形した
    ことを特徴とする請求項９記載の立体表示装置。
14. 前記偏向素子がホログラム光学素子である
    ことを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
15. 前記プリズムシートの表面に反射防止膜を施した
    ことを特徴とする請求項６記載の立体表示装置。
16. 前記プリズムシート表面にプリズムシートの稜線と直行した偏光板を具備した
    ことを特徴とする請求項６記載の立体表示装置。
17. 前記画像表示装置からの光の偏光状態をプリズムシートの稜線と直交する直線偏光に変化させる位相差板を前記画像表示装置と前記プリズムシートとの間に具備した
    ことを特徴とする請求項６記載の立体表示装置。
    

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