特許 7394691 立体表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-30

(45)【発行日】2023-12-08

(54)【発明の名称】立体表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 30/56 20200101AFI20231201BHJP

【ＦＩ】

G02B30/56

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020068756

(22)【出願日】2020-04-07

(65)【公開番号】P2021165790

(43)【公開日】2021-10-14

【審査請求日】2022-12-27

(73)【特許権者】

【識別番号】307030980

【氏名又は名称】株式会社ＩＭＡＧＩＣＡ ＧＲＯＵＰ

(73)【特許権者】

【識別番号】504132881

【氏名又は名称】国立大学法人東京農工大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000512

【氏名又は名称】弁理士法人山田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高木 康博

(72)【発明者】

【氏名】工藤 隆朗

【審査官】横井 亜矢子

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－０１５０６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－３０４７４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００８／００１８２５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－２５２５５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２１７３９０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１２－５２８３４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／００－３０／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、画素がレンズアレイによって虚像結像される虚像結像面における一つの画素の拡大像の幅を前記レンズアレイのレンズピッチより小さくし且つ前記開口アレイの開口の幅を前記虚像結像面における一つの画素の拡大像の幅と一致させ、前記レンズアレイの一つのレンズを通して一つの画素の拡大像が見えるように設定したことを特徴とする立体表示装置。

【請求項2】

開口アレイをレンズアレイにおけるフラットパネルディスプレイと対峙する側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。

【請求項3】

開口アレイをレンズアレイにおけるフラットパネルディスプレイから離反する側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。

【請求項4】

色画素を配置した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の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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、立体表示装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ライトフィールドディスプレイや多眼式ディスプレイなど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。

【0003】

レンズアレイ方式では、図９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１０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。

【0004】

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、図１１に示すように、３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、以降の説明では光を光線として扱い、回折による光の広がりは無視するものとする。

【0005】

他方、観察者の眼に見える画像についてレンズアレイ方式の場合で説明すると、図１２に示すように、眼の位置に応じて夫々のレンズ２ａに対応する要素画像中の一つの画素１ａから出射された光線が眼に入り、左右の眼の位置の違いにより要素画像中の異なる画素１ａが見えるため、左右の眼に異なる画像が見える。左右の眼の位置に応じた異なる視差をもつ画像（視差画像）が左右の眼に見えるので立体感が得られることになる。

【0006】

ここで、レンズアレイ方式では、図１３に示すように、レンズ２ａの焦点面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、このようにした場合には、画素１ａの一点から発せられた光線が平行光になり、要素画素がレンズ２ａにより無限遠に結像されて、その拡大率は無限大になる。

【0007】

即ち、レンズ２ａの奥側の無限遠に無限大に拡大された虚像が結像されると考えることができ、眼で見た場合にレンズ２ａを通して虚像の一部だけが見えることになる。この際、眼までの距離はレンズ２ａの焦点距離に比べて十分に大きいため、図１３に示すように平行光で眼に見える範囲を考えることができる。そのため、一つのレンズ２ａを通して一つの画素１ａの拡大像が見え、見る方向により見える画素１ａの拡大像が変化する。尚、開口アレイ方式では、図１４に示すように、開口３ａの幅を画素の幅以下にすることで、一つの開口３ａを通して一つの画素１ａが見えるようにすることができる。

【0008】

また、レンズアレイ方式でも、開口アレイ方式でも、画素１ａの大きさが小さい場合には、画素１ａから発せられた光線はレンズ２ａや開口３ａにより平行光に変換される。そのため、レンズ２ａや開口３ａを通して一つの画素１ａのみが見える。要素画像を構成する画素数が非常に多く、隣り合う画素１ａに対応する平行光線の角度ピッチが0.3°以下と小さい場合には、異なる方向に進む複数の平行光線が同時に眼に入ることがあるが、通常の光線の角度ピッチでは、異なる方向に進む平行光線が同時に眼に入ることはない。

【0009】

レンズ２ａや開口３ａを通して複数の画素１ａが見えるのは、光線が平行光ではない場合で、本来は眼に入らない光線が眼に入っていることを意味する。この場合、光線間にクロストークが生じるため、立体像にボケが生じる。以上のことから、レンズ２ａや開口３ａを通して、一つの画素１ａが見えるようにすることで、光線にクロストークがなくなり、立体像のボケがなくなることになる。

【0010】

更に、ライトフィールドディスプレイでは、水平方向にのみに光線方向を制御する水平視差型のものが知られているが、水平視差型の場合は、水平方向にのみ視差があるため、水平方向に見え方が変化し、左右の眼に異なる視差画像が見えるため立体感が得られる。そもそも人間の目は水平方向に並んでいるため、水平視差は人間が感じる立体感において大きな役割をもつ。

【0011】

レンズアレイ方式では、レンズ２ａとして一次元のレンズであるシリンドリカルレンズを用い（シリンドリカルレンズが水平方向に並んだものをレンチキュラレンズという。）、開口方式では、開口３ａとして垂直方向に光を通すスリットを用いる（スリットが水平方向に並んだものをパララックスバリアという）。

【0012】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【文献】特開２０１３－６８６８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

最近、レンズアレイ方式において、図１５に示すように、フラットパネルディスプレイ１の画素１ａをレンズ２ａの焦点面より遠くに配置する構成が提案されている。この場合、画素１ａの実像がレンズアレイ２より観察者側に結像されるため、レンズアレイ２より観察者側に飛び出した位置に立体像を表示する場合に用いられる。

【0015】

斯かる構成とした場合、画素１ａの拡大率が有限になるため、一つの画素１ａの拡大像の大きさがレンズ２ａより小さくなるように拡大率を設定でき、人間の眼には、レンズ２ａの中に複数の画素１ａの拡大像が見えることになるため、立体像の解像度を増加させることができる。

【0016】

しかしながら、画素１ａから出た光線はレンズ２ａにより平行光に変換されず、結像位置で集光し、その前後で広がるため、結像位置から離れた位置に立体像を表示すると、光線間のクロストークが大きくなり立体像のボケが大きくなるという課題があった。

【0017】

逆に、レンズアレイ方式において、図１６に示すように、フラットパネルディスプレイ１の画素１ａを焦点面よりレンズ２ａ側に配置すると、画素１ａの虚像がレンズアレイ２の後方に結像される。そのため、レンズアレイ２よりも奥側に立体像を表示する場合に用いられるが、この場合も、立体像の解像度を増加させることができる一方、結像位置から離れた位置に立体像を表示するとボケが大きくなってしまう。

【0018】

また、レンズアレイ方式にあっては、光の利用効率は高いものの、視域を広げるために焦点距離を短くしてレンズピッチに近づけると、収差のためレンズ性能が低下してしまうため、レンズピッチに比べて焦点距離を小さくすることができず、立体像の視域を大きくすることができないという課題もあった。

【0019】

即ち、視域の大きさの表し方として、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１７に示すように、レンズピッチをpで、レンズの焦点距離をfで表すと、視域角は2 tan^-1(p/2f)で与えられることになる。

【0020】

球面レンズの場合、曲率半径をRで屈折率をnで表すと、焦点距離はf = R / (n－1)で与えられる。レンズの直径は最大で2Rであるが、レンズピッチpをその最大レンズ径を等しくp = 2Rとしたときに視域角は最大になり、2 tan^-1(n-1)で与えられる。

【0021】

レンズアレイ２の材料にはアクリル等の樹脂が利用されるが、屈折率は約1.5であるのでf = 2Rより、最大視域角は53°となる。

【0022】

ただし、実際には、収差でレンズ性能が低下するため、レンズ直径を2Rにすることは難しく、現実的には1.5 R程度にするのが限界である。この場合、レンズピッチp = 1.5Rより視域角は41°となる。

【0023】

これに対し、開口アレイ方式では、光の利用効率が低いが、画素から発せられる光線の発散角が大きければ、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大きくすることができ、図１８に示すように、開口ピッチをpで、開口アレイ３と画素の間隔をgで表すと、視域角は2 tan^-1(p/2g)で与えられることになり、間隔gを開口ピッチpの半分にすれば、90°の視域角が得られる。

【0024】

この際、光線間のクロストークをなくするためには、開口３ａの大きさは画素の大きさ以下にする必要がある。要素画像の画素数をP×Qとすると、水平垂直視差型では、開口３ａの大きさをp/P×p/Qとする必要があり、光の利用効率は1/PQとなる。

【0025】

水平視差型では、開口３ａを成すスリットの幅をp/Pとする必要があるので、光の利用効率は1/Pとなる。ライトフィールドディスプレイでは、光線方向は一次元方向に16程度（P ≧ 16, Q ≧ 16）は必要であるので、要素画像を構成する画素数を一次元方向に16以上にする必要があるため、光の利用効率は、水平垂直視差型では0.4 %で、水平視差型では6.3 %と小さくなる。

【0026】

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、ボケの少ない立体表示を実現することが可能で、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。

【課題を解決するための手段】

【0027】

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、画素がレンズアレイによって虚像結像される虚像結像面における一つの画素の拡大像の幅を前記レンズアレイのレンズピッチより小さくし且つ前記開口アレイの開口の幅を前記虚像結像面における一つの画素の拡大像の幅と一致させ、前記レンズアレイの一つのレンズを通して一つの画素の拡大像が見えるように設定したことを特徴とするものである。

【0028】

更に、本発明をより具体的に実施するにあたっては、開口アレイをレンズアレイに対してフラットパネルディスプレイと対峙する側に配置しても良いし、開口アレイをレンズアレイに対してフラットパネルディスプレイから離反する側に配置しても良い。

【0029】

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。

【発明の効果】

【0030】

上記した本発明の立体表示装置によれば、ボケの少ない立体表示を実現することが可能で、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実現することができるという優れた効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明を実施する形態の一例を示す模式図である。

【図2】虚像表示モードでの光線の広がりについて説明する模式図である。

【図3】図１とは異なる開口アレイの配置例を示す模式図である。

【図4】開口アレイの更に別の配置例を示す模式図である。

【図5】水平垂直視差型のカラー化に用いる一手法を説明する模式図である。

【図6】水平垂直視差型のカラー化に用いる別の手法を説明する模式図である。

【図7】水平視差型のカラー化に用いる一手法を説明する模式図である。

【図8】水平視差型のカラー化に用いる別の手法を説明する模式図である。

【図9】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。

【図10】従来の開口アレイについて説明する模式図である。

【図11】光線再生による立体表示に関する説明図である。

【図12】眼に見える画像に関する説明図である。

【図13】レンズアレイ方式でレンズを通して見える画素に関する説明図である。

【図14】開口アレイ方式でレンズを通して見える画素に関する説明図である。

【図15】実像結像を用いた立体表示に関する説明図である。

【図16】虚像結像を用いた立体表示に関する説明図である。

【図17】レンズアレイ方式の視域角に関する説明図である。

【図18】開口アレイ方式の視域角に関する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

【0033】

図１～図８は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図９～図１８と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

【0034】

本実施例の立体表示装置では、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の焦点よりもレンズアレイ２側にフラットパネルディスプレイ１の画素１ａを配置し、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に一致させて配置するようにしている。

【0035】

このようにレンズアレイ２の焦点よりレンズアレイ２側に画素１ａを配置すると、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ことになる。

【0036】

より具体的には、レンズ２ａと画素１ａの間隔をgで、レンズ２ａと虚像までの距離をLで表すと、結像公式より1/g －1/L = 1/fが成り立つ。虚像の倍率はM = L / g = (1 －g / f)となる。視域角はΦ = 2 tan^-1(M p / 2L) = 2 tan^-1(p / 2g)で与えられるので、レンズアレイ２と画素１ａの間隔gを小さくすれば視域角を拡大できる。

【0037】

例えば、レンズ２ａと画素１ａの間隔をg = 3f / 4とする場合を考える。このとき、L = 3f、M = 4となる。上記のf = 2R, p = 1.5 Rの場合、g = 3R/2であるので視域角は2 tan^-1 0.75 = 53°となり、従来のレンズアレイ方式で得られる視域角41°より大きくなる。

【0038】

また、本実施例の立体表示装置では、画素１ａの虚像結像の拡大率は有限になるが、一つの画素１ａの拡大像の幅をレンズピッチpより小さくし、一つのレンズ２ａを通して複数の画素１ａの拡大像が見えるようにし、光線間のクロストークをなくしてボケのない立体表示を可能にするため、開口アレイ３を導入して開口３ａの幅を画素１ａの拡大像の幅と一致させ、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。

【0039】

この場合、水平垂直視差型では、開口３ａの大きさをMp/P×Mp/Qとする必要があり、光の利用効率はM*M/PQとなる。水平視差型では、スリットの幅をMp/Pとする必要があり、光の利用効率はM/Pとなる。上記と同じように、光線数を P = 16、Q = 16とすると、光の利用効率は、水平垂直視差型では6.3 %で、水平視差型では25 %となる。従来の開口アレイ方式の場合（水平垂直視差型は0.4 %、水平視差型は6.3 %）に比べて、光の利用効率が向上することになる。

【0040】

更に、従来の虚像結像を用いた立体表示では、先に図１６に示したように、結像位置の前後で光線の広がりが大きく、結像位置から離れた位置に立体像を表示するとボケが大きくなってしまうが、図２に示す如く、本実施例にあっては、開口アレイ３により光線の広がりが抑制されるため、結像位置から離れた位置に表示した立体像のボケが小さくなる。尚、レンズ２ａの周辺部は収差が大きいが、この部分は開口３ａで遮光され利用しないため、光線の制御特性が向上する。

【0041】

画素１ａの虚像の結像位置はL = (1/g－1/f)^-1で与えられるが、上記のようにgをfの3/4倍程度以下にしないと視域角拡大の効果が小さい。このとき、L = 3f程度以下となる。レンズアレイ２の焦点距離はf = 1 mm程度とするため、虚像はレンズアレイ２から約3 mm以内に結像される。このように、虚像結像位置はレンズアレイ２の位置とほぼ同じであるため、立体像の表示位置は、通常のレンズアレイ方式とほぼ等しくレンズアレイ２の前後となる。

【0042】

従って、上記実施例によれば、ボケの少ない立体表示を実現することが可能で、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実現することができる。

【0043】

ここで、本実施例に関する説明では、図１に示す如く、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に一致させて配置しているが、図３に示すように、開口アレイ３をフラットパネルディスプレイ１から離反する側（観察者側）に近接させた状態でレンズアレイ２に一致させて配置するようにしてもよい。

【0044】

また、図４に示すように、開口アレイ３をフラットパネルディスプレイ１と対峙する側に配置するにあたり、開口アレイ３をレンズアレイ２から離間させた状態でレンズアレイ２に一致させて配置してもよく、このようにした場合には、開口３ａもレンズ２ａで虚像結像されることになり、開口アレイ３とレンズアレイ２の間隔をhで、開口アレイ３の虚像とレンズアレイ２の間隔をh'で表すと、1/h-1/h' = 1/fの関係が成り立つ。眼には前記開口３ａの虚像を通して画素１ａの虚像が見えることになるため、開口３ａの虚像の幅が画素１ａの虚像の幅Mp / Pと一致するようにしておくとよい。開口３ａの虚像結像の倍率はh'/hであるので、開口３ａの幅はMph / Ph'とする。

【0045】

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、このようにする場合には、画素としてＲＧＢ［赤 (Red)、緑 (Green)、青 (BLue)の三原色カラーモデル］の色画素を配置した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方法を利用することができる。

【0046】

例えば、水平垂直視差型では、以下の２つの方法が知られているが、何れの方法を採用してもよい。
(1) 図５に示すように、ＲＧＢの色画素１ａ'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、レンズアレイ方式では、レンズピッチを適切に設定することで、レンズ２ａの中心に対応する色画素１ａ'の色が隣り合うレンズ２ａでＲＧＢと変わるようにする。即ち、眼から見ると一つのレンズ２ａはＲＧＢのどれか一色に見えるようになり、レンズ２ａが立体表示の色画素のように機能する。
(2) 図６に示すように、一つのレンズ２ａに対応する要素画像をＲＧＢのどれか一色の色画素１ａ'のみで構成する。隣り合うレンズ２ａで、要素画像を構成する色画素１ａ'の色をＲＧＢと変える。この場合も、一つのレンズ２ａはＲＧＢのどれか一色に見えるが、(1)の方法では見る方向によってレンズ２ａの色が変化するのに対して、この方法では見る方向によって色は変化しない。

【0047】

また、水平視差型では、以下の２つの方法が知られており、何れの方法を採用することもできる。
(1) 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、図７に示すように、レンチキュラレンズ（レンズアレイ２）を傾けることで、シリンドリカルレンズ（レンズ２ａ）の中心軸が通る色画素が垂直方向にＲＧＢと変化するようにする。この場合、レンズ２ａを通して見える色画素の色が垂直方向にＲＧＢとして変化し、立体表示の色画素として機能する。この場合、パララックスバリア（開口アレイ３）もレンチキュラレンズと同じ角度で傾ける必要がある。
(2) 図８に示すように、水平方向に同色の色画素１ａ'が並び、垂直方向に色画素１ａ'の色がＲＧＢと周期的に変化する色画素配置のフラットパネルディスプレイ１を用いる場合、レンチキュラレンズ（レンズアレイ２）の各シリンドリカルレンズ（レンズ２ａ）を通して見える色画素が垂直方向にＲＧＢと変化し、立体表示の色画素として機能する。

【0048】

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、ペンタイル配置などの様々な色画素配置のフラットパネルディスプレイを用いてカラー表示を行う方法などを利用してもよいこと、その他、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。

【符号の説明】

【0049】

１ フラットパネルディスプレイ
１ａ 画素
１ａ' 色画素
２ レンズアレイ
２ａ レンズ
３ 開口アレイ
３ａ 開口
ｐ レンズピッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】