JP4515565B2 - 立体表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、観察用のメガネが不要で、なおかつ視覚疲労の少ない、動画立体像を表示する立体表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
立体表示には数多くの方式が提案され開発されている。
一般的な立体表示装置に、図１５に示すような二眼立体表示方式がある。左眼用画像１５１と右眼用画像１５２の２枚の視差画像を使用し、偏光メガネまたは偏光切替シャッタ１５３を装着し、それぞれの画像をそれぞれの眼に提示し立体像を表示する方式である。
この方式は比較的少ない情報量で容易に立体表示が可能であるという特長をもつが、再生立体像１５４を観察する場合、輻輳距離１５５と焦点調整距離１５６の違いによる視覚疲労が問題となっている。これは、視差画像の提示のみで立体感を出す方式に共通の課題となっている。
【０００３】
視覚疲労の少ない立体像の表示には、空間上に立体像を再生する方式が有効である。この方式には、ホログラム表示方式や奥行き標本化方式がある。
ホログラムは自然な立体表示の可能性を持つが、被写体の干渉縞情報が必要であり、情報量が膨大となり、表示装置に超高精細なものが必要となり、動画立体像表示の実現には多くの課題がある。
【０００４】
一方、奥行き標本化方式は、物体の各奥行き位置における二次元断面画像を、空間上に体積的に表示するものである。この方式では、奥行きをもった立体像が３次元空間中に再現されるため、輻輳距離と焦点距離が一致し、疲労が少なく、また、観察位置の移動に合わせた自然な立体像が観察できる。
この奥行き標本化方式には振動するミラーに映像を映し立体画像を表示するバリフォーカルミラー方式や、スクリーンが機械的に高速移動する移動スクリーン方式、回転する螺旋系のスクリーンを使用する方式などがある。また、液晶表示装置を使い、機械的な駆動部を持たない方式が開発されている。例えば、液晶パネルを多数重ね配置し、ＣＲＴに表示された画像を、重ねられた液晶パネルの適当な奥行きにあるパネルで反射させて、画像を体積的に表示する方式である。
【０００５】
図１６に液晶を用いた奥行き標本化方式の一例を示す。二次元表示部１６２に順次表示される各奥行きごとの画像１６３，１６４を、その後にある数ｃｍ以上の直径をもつ、液晶焦点可変レンズ１６１の焦点距離を同期して変化させ、空間上に各再生像１６５，１６６を体積的に表示する方式である。この方式の特長は機械的な駆動部が不要で、特殊メガネが不要で、自然な立体像が表示できることである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した奥行き標本化方式は、奥行き画像を順次表示していく時間分割方式である。そのため、目の残像時間内に立体像表示が完了しないとフリッカが知覚されてしまう。一方、１断面画像の表示時間が短くなると画像の輝度が低下してしまう。また、ビデオレート時間内に、高速に多数の奥行画像を表示する特殊な表示装置が必要となる。
そこで本発明の目的は、上記の時間分割による奥行き標本化表示の画質低下を防ぎ、従来の二次元画像表示部を使用し、視覚疲労を伴わない自然な動画立体像が表示可能な立体表示装置を提供せんとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明立体表示装置は、動画像を表示する二次元表示部と、焦点距離を制御できる焦点距離可変素子を、少なくとも前記二次元表示部の画像の画素数と同じ個数だけ配置された構造を持つ、焦点距離可変素子アレイと、該焦点距離可変素子アレイを構成する各焦点距離可変素子の焦点距離を、被写体の奥行き位置情報に基づいて高速に制御する焦点距離制御部とを具備し、前記二次元表示部の画像の各画素から出射されたインコヒーレント光を、独立に焦点距離が制御された前記焦点距離可変素子アレイを通過させ、各画素の像を空間中の結像点に結像させて、立体表示させることを特徴とするものである。
【０００８】
さらに前記焦点距離可変素子は、透明電極を持った基板間に電界によって屈折率が変化する屈折率変化媒質が挟まれた構造であってもよく、電極間に電圧を印加したとき、屈折率変化媒質の屈折率分布がレンズの位相分布状になるような電極構造を持っていてもよく、電極間に電圧を印加したとき、屈折率変化媒質の屈折率分布がレンズの位相分布状になるような曲率を持った基板形状を有していてもよく、電極間に電圧を印加したとき、屈折率変化媒質の屈折率分布がレンズの位相分布状になるような抵抗率分布を持った電極を有していてもよく、印加電界によって光路長を可変できる構造のものとレンズの組み合わせから構成されていてもよい。
【０００９】
また、前記立体表示装置においては、前記焦点距離可変素子の前もしくは後に、再生像の歪みをなくすとともに結像倍率を一定にする機能をはたすレンズ系が組合わされていてもよいし、前記焦点距離可変素子アレイからの出力光束に対し、視角を広くする機能をはたす光学系を有していてもよいし、各焦点距離可変素子が、光を任意の形状に遮光してファントム効果を解消するための遮光部を有していてもよい。
またさらに、前記屈折率変化媒質は、電気光学効果を持つ媒質であってもよく、さらに液晶または液晶を含む混合物であってもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、本発明装置は各画素毎に結像位置を制御する空間分割方式であるため、時間分割方式で生じるフリッカや輝度の低下を防ぐことができ、従来の二次元表示装置を使用して自然な立体動画像表示が可能である。
以下添付図面を参照し実施例により本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１１】
【実施例】
（システム全体）
図１は本発明に係る立体表示装置第１の実施例を示す構成図である。
この実施例の二次元画像表示部１１は、ＣＲＴ、液晶表示部、プラズマ表示部、ＬＥＤ表示部、プロジェクタ投射部もしくはレーザ走査表示部など、モノクロまたはカラー動画像表示が可能なものである。
二次元画像表示部１１の画像の各画素からの光１２ａ，１２ｂは、それぞれ、その後に配置された焦点距離可変素子アレイ１３を構成する各焦点距離可変素子１４ａ，１４ｂに入射する。焦点距離可変素子アレイ１３を構成する複数の各焦点距離可変素子は、それぞれ独立に焦点距離を変化できる駆動機構を備えたものである。各焦点距離可変素子の焦点距離は、被写体の奥行き位置情報１７をもとに決められる。被写体の奥行き位置情報１７は、被写体の奥行き距離が検出できる奥行き検出部１６により得られたものが使用できる。
また、コンピュータグラフィックスのような実写画像でない場合は、計算により与えられた奥行き位置情報を使用することもできる。
奥行き位置情報１７にしたがって、焦点距離制御部１８により各焦点距離可変素子の焦点距離が制御される。この制御は、動画像に対応できるビデビデオレート速度以上で行われる。二次元画像表示部１１の各画素からの光１２ａ，１２ｂが、焦点距離を制御された各焦点距離可変素子１４ａ，１４ｂを通過することにより、各画素の像はそれぞれ空間中の結像点１５ａ、１５ｂに結像し、観察者１９に立体像２０が表示される。
【００１２】
（電極基本構成）
図２は本発明による立体表示装置の焦点距離可変素子の断面図である。
透明電極２５を有する透明な基板２６間に屈折率変化媒質２７が挟まれた構造をしている。屈折率変化媒質２７を挟む基板２６の材質はガラスやアクリル等の合成樹脂などである。透明電極２５は蒸着等の手法によって基板２６の一面に密着されたＩｎ_２０_３：Ｓｎなどの薄膜である。
【００１３】
（特殊電極形状）
図３に本発明による立体表示装置の焦点距離可変素子の電極構造図を示す。
透明電極３１は、両透明電極間に電圧を印加したとき、屈折率変化媒質がレンズ状の屈折率変化分布を起す電界分布になるような形状を有している。
例えば、電極構造は、図３（ａ）に示すような中心が円形に穴が空いた構造や、
図３（ｂ）に示すようなリング形状構造をもつ。これらの形状の電極を基板の全面に付けた電極と対向させ、又はこれらの形状同士を対向させて、焦点距離可変素子を形成する。
【００１４】
（基板形状）
図４は本発明による立体表示装置の焦点距離可変素子の基板構造図である。
基板の形状がレンズ状の曲面をもった構造を用いることができる。例えば、図４（ａ）の単レンズ状基板４１や図４（ｂ）のフレネルレンズ状基板４２または図４（ｃ）のグレーティングレンズ状基板４３、図４（ｄ）のレンチキュラレンズ状基板４４などである。
【００１５】
（抵抗値分布）
また、電極面内で抵抗値が異なる電極、たとえば、電極の中心と周辺部で異なる抵抗値を持つ電極により屈折率変化媒質を挟んだ構造を持つ焦点可変素子も、この立体表示装置に使用できる。
【００１６】
（液晶）
図５は前記第１の実施例に使用される焦点距離可変素子の屈折率変化媒質として液晶または液晶混合物５１を用いた、焦点距離可変液晶レンズの構成図を示す。
液晶の材料として、ネマティック液晶、コレステリック液晶、スメクティック液晶、またはこれら液晶の混合物、液晶と高分子ポリマの複合体などを使用する。常光屈折率と異常光屈折率の差が大きい（屈折率異方性が大きい）液晶を使用することで、液晶層が薄くても大きな屈折率変化が得られ、また応答速度の高速化と駆動電圧の低下が図れる。
配向処理が必要な液晶に関しては、基板５２，基板５３上にそれぞれ透明電極５４，透明電極５５を、さらに配向剤を塗布し配向膜５６を形成し、液晶の配向を制御するラビング処理を行う。配向方法は、ホモジニアス配向や垂直配向を使用する。スペーサ５７により基板間の間隔を制御し、液晶又は液晶混合物５１を注入する。電極や基板形状は上記で説明したものを使用する。
【００１７】
（液晶レンズ動作原理、電極構造）
図６に液晶を用いた焦点距離可変素子の１例を示し動作原理を説明する。
図６（ａ）に示すような円形穴型電極構造６１を持ち、片方は基板全面に透明電極６２を付けた場合について説明する。またここで液晶６３は、ホモジニアス配向処理したネマティック液晶の場合について示している。
図６（ｂ）は電圧が印加されない場合の図であり、液晶分子６４は両基板と水平な方向に配向している。
図６（ｃ）は電極間に弱い電圧を印如した場合の図である。電界方向に液晶分子６４が配向し、穴電極中心部６５では電界が弱いので液晶分子は基板に平行な方向に配向し、穴電極周辺部６６では傾斜した電界のため、液晶分子の配向方向も傾斜した状態になっている。中心部分の屈折率が大きく、周辺の屈折率が小さい凸レンズ状態となっている。
また、電極間に強い電圧を印加すると、穴電極中心部６５において電界方向に液晶分子が配向する（図６（ｄ））。穴電極周辺部６６では傾斜した電界の方向に液晶分子が配向した状態になる。この場合は、中心部分より周辺部分の屈折率が大きくなり凹レンズ状態となっている。
このように印加する電圧の変化により、屈折率分布が変化し、焦点距離を変化することができる。
また、周波数の変化により、配向方向が変化する２周波数駆動の液晶を用いると、駆動の周波数を変化させることで液晶の配向が制御可能であり、比較的高速な変調が可能となる。
電極構造にこのような円形穴型形状や、リング形状を用いることで、数十μｍ以下の直径を持つ焦点距離可変素子が作製可能であり、高精細な微小画素を持つ立体表示への応用が可能である。
【００１８】
（液晶レンズ動作原理、基板構造）
図７に液晶焦点距離可変液晶レンズの他の例を示し動作原理を説明する。
ここでは、基板７１としてレンズ形状のものを使用した場合について説明する。
レンズ形状の基板７１の片側に透明電極７３を有し、配向処理を行っている。このとき配向処理としては、配向液を塗布し布で一定の方向にこすり配向処理を行う。フレネルレンズなどの凹凸の差が大きい基板などこの方法が困難な場合は、偏光した光を照射し、配向を制御する光配向方法が有効である。また片側基板のみの配向処理でも焦点距離可変素子機能を持たせることは可能である。また、フレネルレンズ基板など透明電極の蒸着が難しい場合は、基板の液晶面と反対側に透明電極を付け、高電圧で駆動することも出来る。電極間に電圧を印加するに従い、液晶分子の配向方向が変化し、それによる屈折率の変化が生じ、焦点距離が変化する。また、周波数の変化により、配向方向が変化する２周波数駆動の液晶を用いると、駆動の周波数を変化させることで液晶の配向が制御可能であり、比較的高速な変調が可能となる。
このように、曲率をもつ基板を使用するメリットは、焦点距離可変素子の直径が数ｃｍ以上の大きなものが製作できる点にある。このため、大画面サイズの立体表示装置において、１画素が大きい焦点距離可変素子を構成することが可能となる。
【００１９】
（焦点距離可変素子アレイの構成）
図８は焦点距離可変素子アレイの構成図である。焦点距離可変素子アレイ８１は、焦点距離可変素子８２を各画素に対応して配置した形状を有している。二次元表示部８３の１つの画素８４に対応して１つの焦点距離可変素子が対応した配置となっている。この場合、１画素からの出力光が複数個の焦点可変素子に入射するとゴースト像の発生や明るさの低下を招く。そのため、画素から出力される光束８５はすべて対応する焦点距離可変素子にのみ入射することが好ましい。よって画素からの光束を制限する役割をはたす機構が必要となる。たとえば、画素８４からの出力光を焦点距離可変素子８２以外の焦点可変素子へ入射させないためのフェンス８６などが有用である。
【００２０】
（光路長変調方式マイクロレンズ）
図９に焦点距離可変素子アレイの別な構成例を示す。
屈折率変化媒質９６を基板９４に付けた透明電極９５に挟んだものと固定のマイクロレンズ９９およびマイクロレンズ１００を組合わせた構造を持っている。電極間に印加する電圧により、屈折率変化媒質９６の屈折率が変化するため、画素９２および画素９３からの出力光は、このセルを通過することにより光路長差が生じ、結像する像の位置が変わり、焦点距離可変素子アレイ９０として使用できる。
屈折率変化媒質をマイクロレンズ９９およびマイクロレンズ１００の焦点近傍に置くことで、画素９３の像９８および画素９２の像９７が結像される位置を大きく変化させることができる。
ここで屈折率変化媒質として液晶または液晶の混合物、または光電気効果を示す材料が使用できる。
【００２１】
【実施例２】
（表示装置と素子アレイの変換）
図１０は本発明に係る立体表示装置第２の実施例の構成図である。実施例２として、表示装置と焦点距離可変素子アレイの設置順番を変更した例を示す。
図面左側より平行光または広がりを持った光１０３を、焦点距離可変素子アレイ１０１に入力し、各レンズの焦点距離を奥行き情報にしたがって変化させ、そのレンズからの出力光を、透過型の２次元表示部１０２、たとえば液晶表示部の各画素に入射し、光の強度や色を変調し出力する。この場合も実施例１と同様に、各画素ごとに空間上に像を形成することができる。
【００２２】
【実施例３】
（フーリエ光学系）
図１１は本発明による立体表示装置第３の実施例を示す構成図である。
実施例３は、二次元表示部１１１と焦点距離可変素子アレイ１１４の間に第１レンズ系１１２を具え、焦点距離可変素子アレイ１１４と観察者１１８との間に第２レンズ系１１３を具える。この時、二次元表示部１１１と第１レンズ系１１２の間隔、および第１レンズ系１１２と焦点距離可変素子アレイ１１４間は、第１レンズ系の焦点距離ｆｌとほぼ同じに配置してある。また、焦点距離可変素子アレイ１１４と第２レンズ系１１３との間は、第２レンズ系の焦点距離ｆ２とほぼ同じに配置してある。
このような配置をとることで、再生像の結像に伴なう歪みがなくなる。また像の再生位置を観察者１１８に近い位置に表示した場合と遠い位置に再生した場合で、再生像１１７と再生像１１６の結像倍率を同じにすることが出来る。
【００２３】
【実施例４】
（視角の拡大）
図１２は本発明に係る立体表示装置の第４の実施例を示す構成図である。
実施例４は、二次元表示部および焦点距離可変素子アレイ１２０と観察者１２８の間に光学系１２１を具えている実施例である。
二次元表示部および焦点距離可変素子アレイを通過し、出力する光１２２が、像を結ぶ再生像点１２６における視角１２３を光学系１２１で拡大し、大きな視角１２４をもつ再生像点１２７を得るようになっている。
【００２４】
【実施例５】
（ファントム効果の解消）
図１３で、奥行き標本化方式による立体表示を行う際生じるファントム現象についての説明を行う。
本来、観察者の手前にある物体の陰になり、後ろの物体は隠れてみえないものである。しかし、図１３（ａ）のように奥行き標本化立体表示を行い、再生像１１３と再生像１３４を視点１３５から観測すると、奥の再生像１３３が手前の再生像１３４を透けて見えてしまう。
【００２５】
図１４は本発明に係る立体表示装置の第５の実施例を示す構成図である。
この実施例は前記ファントム現象により奥の像が手前の像を透けてみえないようにするためのものである。構成は焦点距離可変素子アレイを構成する各焦点距離可変素子１４２ごとに、画素からの光１４３を任意の形状に遮光する遮光部１４１を有している。遮光部で適当な形状に遮光することで焦点距離可変素子１４２からの出力光１４６の広がり方向が制御できる。再生像点１４３を表示する際、遮光領域１４７を設定すると、視点１４４から再生像点１４３は観察されず、手前の再生像１４８の陰に隠れた状態と認識される。また、視点１４５の位置に移動すると、再生像点１４３が観察できるようになる。
【００２６】
（電気光学媒質）
屈折率可変媒質として以上液晶に関して説明を行ったが、電気光学効果を持つＰＬＺＴのような媒質を用いた焦点距離可変素子も本立体表示装置に適用できる。
以上いくつかの実施例により本願発明の実施の形態を詳細に説明してきたが、本願発明はこれらに限定されることなく、特許請求の範囲に規定された発明の要旨内で各種の変形、変更の可能なことは自明であろう。
【００２７】
【発明の効果】
本発明により、次のような特長を持つ立体表示装置が実現できる。
第１に従来の視差画像による立体表示装置に生じる視覚疲労を伴わない、自然な立体視が可能である。
第２に、特殊なメガネが不要である。
第３に、水平方向と垂直方向の両方の立体視が可能である。
第４に、従来実用化されている二次元表示装置がそのまま利用できる。
第５に、インコヒーレント光で立体表示が可能であるため、カラーの二次元表示装置を使用すると、カラー立体像が表示できる。
第６に、本方式は空間分割し奥行き標本化を行うので、時分割表示のように画像を順次高速に表示する必要がないため、フリッカがなく、高輝度の立体表示が可能となる。
第７に、複数人数での立体観察が可能である。
第８に、本立体方式に表示に必要な情報は、二次元カラー画像と奥行き距離情報であるため、これらの情報は被写体より動画撮像が可能である。また、情報量が少ないため、伝送が容易で、立体ＴＶシステムへの応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明立体装置第１の実施例の構成を示す。
【図２】 本発明装置焦点距離可変素子の断面を示す。
【図３】 本発明装置焦点距離可変素子の電極構造図で、（ａ）は穴型電極形状を、（ｂ）はリング型電極形状を示す。
【図４】 本発明装置焦点距離可変素子の基板構造図で、（ａ）は単レンズ状基板、（ｂ）はフレネルレンズ状基板、（ｃ）はグレーティングレンズ状基板、（ｄ）はレンチキュラレンズ状基板をそれぞれ示す。
【図５】 本発明装置焦点距離可変素子の１例である液晶焦点距離可変素子の構成断面を示す。
【図６】 図５図示液晶焦点距離可変素子の動作原理図で、（ａ）はその素子構造図、（ｂ）は印加電圧零、（ｃ）は印加電圧の低い場合および（ｄ）は印加電圧の高い場合をそれぞれ示す。
【図７】 前記液晶焦点距離可変素子の他の例の動作原理図で、（ａ）は印加電圧がオフ、（ｂ）は印加電圧オンの場合を示す。
【図８】 本発明装置焦点距離可変素子アレイの構成例を示す。
【図９】 図８の焦点距離可変素子アレイの別の構成例を示す。
【図１０】 本発明装置第２の実施例の構成を示す。
【図１１】 本発明装置第３の実施例の構成を示す。
【図１２】 本発明装置第４の実施例の構成を示す。
【図１３】 ファントム効果解消を説明する図である。
【図１４】 本発明装置第５の実施例の構成を示す。
【図１５】 従来の二眼立体表示方式を説明する図を示す。
【図１６】 従来の液晶を用いた奥行き標本化立体表示方式を説明する図を示す。
【符号の説明】
１１，８３，９１，１０２，１１１ 二次元画像表示部
１３，８１，９０，１０１，１１４ 焦点距離可変素子アレイ
１４ａ，１４ｂ，１３２，１４２ 焦点距離可変素子
１５ａ，１５ｂ 結像点
１６ 奥行き検出部
１７ 奥行き位置情報
１８ 焦点距離制御部
１９ 観察者
２０ 立体像
２１，３１，５４，５５，７３，９５ 透明電極
２６，４１−４４，５２，５３，６７，６８，７１，７２，９４ 基板
２７，４５，９６ 屈折率変化媒質
３２ 透明電極なし
５１ 液晶または液晶混合物
５６，６９，７４ 配向膜
５７ スペーサ
６３ 液晶
６４，７４ 液晶分子

Claims (11)

1. 動画像を表示する二次元表示部と、
   焦点距離を制御できる焦点距離可変素子を、少なくとも前記二次元表示部の画像の画素数と同じ個数だけ配置された構造を持つ、焦点距離可変素子アレイと、
   該焦点距離可変素子アレイを構成する各焦点距離可変素子の焦点距離を、被写体の奥行き位置情報に基づいて高速に制御する焦点距離制御部とを具備し、
   前記二次元表示部の画像の各画素から出射されたインコヒーレント光を、独立に焦点距離が制御された前記焦点距離可変素子アレイを通過させ、各画素の像を空間中の結像点に結像させて、立体表示させることを特徴とする立体表示装置。
2. 請求項１記載の立体表示装置において、前記焦点距離可変素子は、透明電極を持った基板間に電界によって屈折率が変化する屈折率変化媒質が挟まれた構造であることを特徴とする立体表示装置。
3. 請求項２記載の立体表示装置において、前記焦点距離可変素子は、電極間に電圧を印加したとき、前記屈折率変化媒質の屈折率分布がレンズの位相分布状になるような電極構造を持つことを特徴とする立体表示装置。
4. 請求項２または３記載の立体表示装置において、前記焦点距離可変素子は、電極間に電圧を印加したとき、前記屈折率変化媒質の屈折率分布がレンズの位相分布状になるような曲率を持った基板形状を有することを特徴とする立体表示装置。
5. 請求項２から４いずれか記載の立体表示装置において、前記焦点距離可変素子は、電極間に電圧を印加したとき、前記屈折率変化媒質の屈折率分布がレンズの位相分布状になるような抵抗率分布を持った電極を有することを特徴とする立体表示装置。
6. 請求項１記載の立体表示装置において、前記焦点距離可変素子は、印加電界によって光路長を可変できる構造のものとレンズの組み合わせから構成されていることを特徴とする立体表示装置。
7. 請求項１から６いずれか記載の立体表示装置において、前記焦点距離可変素子の前もしくは後に、再生像の歪みをなくすとともに結像倍率を一定にする機能をはたすレンズ系が組合わされることを特徴とする立体表示装置。
8. 請求項１から７いずれか記載の立体表示装置において、前記焦点距離可変素子アレイからの出力光束に対し、視角を広くする機能をはたす光学系を有することを特徴とする立体表示装置。
9. 請求項１から８いずれか記載の立体表示装置において、各焦点距離可変素子は、光を任意の形状に遮光してファントム効果を解消するための遮光部を有することを特徴とする立体表示装置。
10. 請求項１から９いずれか記載の立体表示装置において、前記屈折率変化媒質は、電気光学効果を持つ媒質であることを特徴とする立体表示装置。
11. 請求項１から１０いずれか記載の立体表示装置において、前記屈折率変化媒質は、液晶または液晶を含む混合物であることを特徴とする立体表示装置。

Images