JP2013161035A - 映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２次元アレイ状に要素レンズ配列したレンズアレイを用いる映像表示装置で、要素レンズの継ぎ目が目立たないものを実現する。。
【解決手段】１）それぞれに発光強度を調整可能な複数の輝点からなる発光器と、２）発光器と観察者との間に設置され、２次元平面あるいは２次元曲面状に縦横に規則的に配列され、その横の配列方向は観察者の右目と左目を結ぶ方向に略平行である集光素子群と、３）集光素子群と観察者との間に設置され、発光器からの光を変調する光変調素子群と、４）集光素子群と観察者との間に光を拡散させる拡散器と、を備え、特に、集光素子群の配列は、それぞれの横並びは所定の周期をもつが、任意の横並びは、その上または下の横並びとは、異なる位相を持つ配列であり、上記拡散器は、横方向に比べて縦方向により拡散させる拡散器であり、光変調素子群を制御して映像の表示を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の要素レンズからなるレンズアレイを用いた多眼式イメージングにおいて、要素レンズ間の継ぎ目が目立つことを抑制した映像表示装置に関している。

主な立体映像表示装置としては、両眼視差を用いる２眼式のものや、多数の視点から鑑賞できる多眼式（あるいは超多眼式）やインテグラルフォトグラフィ（Integral Photography、以下ＩＰとする）方式のものがあることはよく知られているが、本発明は、多眼式の立体映像表示装置に関するものである。

２眼式は、右眼と左眼に一対の立体映像を与えるものである。表示された画像を右眼用と左眼用とに分離する眼鏡を用いる２眼式は、映画やテレビなどに普及しつつある。この方式における欠点は、特に目の輻輳や調節の矛盾がある点であり、観察者に対して疲労感を与えるという問題があることもよく知られている。

また、多眼式（あるいは超多眼式）は、上記２眼式では立体視できるところ（以降、視点）が限定されているという欠点を緩和するために、多数の視点からの画像を用意して、それらをそれぞれの視点にある観察者に提示するものである。

特許文献１（特開平７−３８９２６）には、観察者が、移動に伴って異なる視差像を観察できるレンチキュラーレンズを用いた３次元ディスプレイ装置が開示されている。この３次元ディスプレイ装置は、複数の異なる視差像が同時に表示される表示パネル、シリンドリカルレンズのアレイで構成されるレンチキュラーレンズを有する３次元ディスプレイ装置であって、観察者の頭部の空間的位置を検出する頭部検出装置と、多眼表示を行なうための立体信号を出力する複数の立体信号源と、該頭部検出装置で検出された観察者の頭部位置に基づいて該複数の立体信号源から出力される立体信号を選択する立体信号選択装置とを備えるものである。また、この立体信号選択装置によって選択された２つの信号を、それぞれ偶数フィールドと奇数フィールドに振り分け、液晶パネル上で左目用視差像と右目用視差像を１ライン毎に交互に表示させる立体信号合成装置を備えるものである。

また、特許文献２（特開平８−１６０３５６号公報）には、バックライト光源の発光部分を制御する立体映像表示装置が開示されている。この立体映像表示装置は、立体映像出力すべく結像手段またはアレイ状に構成された結像手段が配設され、その後方に観察者の顔面像が実質的に結像する位置またはその近傍に、観察者の左右の目にそれぞれ左目用、右目用ステレオ像を時分割に分配すべく画像出力可能なバックライト光源を配設せしめ、該観察者と該結像手段またはアレイ状に構成された該結像手段との間に該観察者の観察すべきステレオ像を時分割で表示可能な透明で電気光学的な空間変調素子群を配設し、さらに該観察者の映像または赤外映像を該結像手段またはアレイ状に構成された該結像手段を通して撮像し、得られた該観察者像の変調像を該バックライト光源に表示するものである。この開示におけるバックライト光源としては、観察者の左右の眼に各々正しいステレオ像を空間分割に分配すべく画像出力可能ものとして白黒液晶テレビを用いている。また、その空間変調素子群としては、観察者の左右の眼にそれぞれ正しいステレオ像を時分割に分配すべく画像出力可能な、カラー液晶テレビを用いている。

特開平７−３８９２６号公報 特開平８−１６０３５６号公報

従来の映像表示装置で、特に２次元アレイ状に要素レンズ配列したレンズアレイを用いる映像表示装置では、要素レンズの継ぎ目が目立っていた。このため、この継ぎ目の目立たない映像表示装置が望まれていた。

本発明の映像表示装置は、複数の要素レンズからなるレンズアレイを用いた映像表示装置であって、（１）それぞれに発光強度を調整可能な複数の輝点からなる発光器と、（２）上記発光器と上記観察者との間に設置され、２次元平面あるいは２次元曲面状に縦横に規則的に配列され、その横の配列方向は上記観察者の右目と左目を結ぶ方向に略平行である集光素子群と、（３）上記集光素子群と上記観察者との間に設置され、上記発光器からの光を変調する光変調素子群と、（４）上記集光素子群と観察者との間に光を拡散させる拡散器と、を備える。
特に、上記集光素子群の配列は、それぞれの横並びは所定の周期をもつが、任意の横並びは、その上または下の横並びとは、異なる位相を持つ配列である。また、上記拡散器は、上記横方向に比べて上記縦方向により拡散させる拡散器であり、上記光変調素子群を制御して上記映像の制御を行う。
これによって観察者から見て、縦方向に要素レンズ間の継ぎ目が目立つことが緩和される。上記における周期あるいは位相とは、空間的な配置に関するものであり、周期は空間周波数の逆数であり、位相は上記周期をもつ配置のずれを示す。

上記発光素子群は異なる位置で交互に発光し、それと同期して上記光変調素子群は、立体映像を融像するための右目用映像と左目用映像を交互に観察者に表示する。この際、上記発光器は輝点の発光領域を左目右目毎に変え、また、光変調素子群は上記発光器からの光を左目右目毎に変調する。

上記拡散器は、微少レンズの複数を平面あるいは曲面状に配列させた拡散板である。この微少レンズは、焦点距離が球面レンズの様に光軸の周りに等方的なものではなく、円筒形レンズのように異方性をもつものである。

上記発光器からの光は、複数の色相の光を含む光であって、上記光変調素子群のそれぞれの変調素子に照射される光から透過する色相の光を選択するカラーフィルター素子群を備えるものである。上記の複数の色相とは、カラー表示における混合のための原色として用いる色相を示す。

上記集光素子群の任意の横方向配列は、その上または下の配列と所定の位相差を有するものである。ここでこの位相差は、一定であることに限定する必要はない。

また、上記発光器における発光領域からの光が観察者の左目と右目とに届くようにその発光領域の位置を観察者の位置に応じて制御する制御器を具備する。この制御は、上記発光器の発光領域のサイズ、形状または位置の他に発光強度の
を調整することによっても行うことができる。

レンズの継ぎ目部分から来た光と中心部分からきた光がブレンドされ、輝度が均質な画像を観察することが可能になる。また、立体視については、拡散を縦方向のみに限定することはバックライトの左右方向への振り分けには影響が及ばないため、これによっても立体視を維持することができる。

本発明の映像表示装置による表示について（ａ）は右目に対する表示を、（ｂ）は左目に対する表示を示す図である。発光器であるバックライト１は、それぞれに発光強度を調整可能な複数の輝点からなる。ここで言う輝点とは、光を出力することのできる点状の領域を意味する。また、集光素子群でありレンズアレイ２は、上記バックライト１と観察者５との間に設置される。これは、集光素子である要素レンズ６の複数を、２次元平面あるいは２次元曲面状に縦横に規則的に配列したものである。光変調素子群である液晶パネル４が上記集光素子群と上記観察者との間に設置され、上記発光器からの光を変調する。上記液晶パネル４と観察者６との間、あるいは、上記レンズアレイ２と上記液晶パネル４との間の上記液晶パネル４の近くに、光を拡散させる拡散器である拡散板３を備える。 集光素子群は、集光素子である要素レンズ６の複数を、２次元平面あるいは２次元曲面状に縦横に規則的に配列したものであることを示す図である。 ここで、要素レンズにレンチキュラーレンズを用いたレンズアレイの例を示す図である。 バックライト１からレンズアレイ２までの光路を、両面ミラーで列を仕切るようにした例を示す。これによって、上下に漏れる光を遮断しつつ、観測者から見て縦方向に光源を引伸ばすことを行う。 ビデオカメラ７と観察者の位置を解析する制御器１０とを用い観察者の両目の３次元位置を常に把握し続けることで右目と左目方向にのみ指向性バックライトを発光させる制御を行う構成を示す図である。

本発明は、概略では、２次元アレイ状に要素レンズ配列したレンズアレイを用いる映像表示装置であって、そのレンズアレイと空間変調を行う液晶パネルとの間に、主に縦方向のみに光を拡散させる指向性拡散板を設けたものである。そのレンズアレイは、例えば６角レンズがデルタ配列された凸レンズアレイであり、その配列における横並びの空間周波数は所定の値であるが、その上または下の横並びとは位相を異にするものである。本発明は、このレンズアレイの配列と上記指向性拡散板の採用によって、従来技術における問題を改善するものである。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

本発明の映像表示装置は、裸眼立体映像表示装置としても通常の２次元表示装置としても用いることができるものであるが、複数の要素レンズからなる集光素子群を用いた映像表示装置である。本発明の映像表示装置による表示について、図１（ａ）に右目に対する表示を、図１（ｂ）に左目に対する表示を示す。発光器であるバックライト１は、それぞれに発光強度を調整可能な複数の輝点からなる。ここで言う輝点とは、光を出力することのできる点状の領域を意味する。また、集光素子群でありレンズアレイ２は、上記バックライト１と観察者５との間に設置される。これは、例えば図２に示すように、集光素子である要素レンズ６の複数を、２次元平面あるいは２次元曲面状に縦横に規則的に配列したものである。さらに、大口径凸レンズをレンズアレイ面の前に入れ、各視点から見た画面の明るさの均一性などを最適化することで、見易さを改善することもできる。上記レンズアレイ２では、その横の配列方向は、上記観察者の右目と左目を結ぶ方向に略平行である。また、光変調素子群である液晶パネル４が上記集光素子群と上記観察者との間に設置され、上記発光器からの光を変調する。また、上記液晶パネル４と観察者６との間、あるいは、上記レンズアレイ２と上記液晶パネル４との間の上記液晶パネル４の近くに、光を拡散させる拡散器である拡散板３を備える。
特に、上記集光素子群であるレンズアレイ２の配列は、それぞれの横並びは所定の空間的な周期をもつが、任意の横並びは、その上または下の横並びとは、空間的に異なる位相を持つ配列である。また、上記拡散器である拡散板３は、上記横方向に比べて上記縦方向により広く拡散させる。また、制御器１０は、上記バックライト１における発光位置や上記液晶パネル４を制御して映像表示の制御を行う。

図１に示す例においてはレンズアレイ２に凸レンズアレイを用い、左右それぞれの目とレンズアレイ２の各要素レンズの中心を結ぶ直線がバックライト１と交わる位置でバックライトを発光させる。これにより、それぞれの目の方向にのみ光が届く指向性バックライトが実現される。この方法では、観察者の奥行き方向の立ち位置変化には、発光する部分の間隔を変化させることで対応できることになり、物理的な光学距離の制御は不要になる。また、レンズアレイ２とバックライト１間の距離は、レンズアレイ２の要素レンズ６の焦点距離とほぼ等しくすることになるので、要素レンズ６として焦点距離の短いものを用いれば装置の薄型化が可能である。

また、図４に示す構成例では、バックライト１からレンズアレイ２までの光路を、両面ミラーで列を仕切るようにしている。これによって、上下に漏れる光を遮断しつつ、観測者から見て縦方向に光源を引伸ばすことを行う。

レンズアレイ２としては、例えば図２に示すように、６角レンズがデルタ配列された凸レンズアレイ（フライアイレンズ）を用いる。ここで、レンズアレイとしてその要素レンズにレンチキュラーレンズを用いることも原理的に可能であり、その例を図３に示す。

この場合、要素レンズの継ぎ目が目立つため、デルタ配列されたレンズアレイを用いるが、液晶パネルの裏側に、主に縦（鉛直）方向にのみ光を拡散する指向性拡散板を挿入する。横方向の拡散は、縦方向に比べて僅かであれば許容される。これにより、レンズの継ぎ目部分からきた光と中心部分からきた光がブレンドされ、観察者６は輝度が均質な画像を観察することが可能になる。この拡散板は、例えば微少レンズの複数を平面あるいは曲面状に配列させたものである。ただし、この微少レンズは、焦点距離が球面レンズの様に光軸の周りに等方的なものではなく、円筒形レンズのように異方性をもつものである。横方向の焦点距離が無限大である微小なレンチキュラーレンズの集合であってもよい。また、主な拡散を縦方向のみに限定することはバックライトの左右方向への振り分けには影響が及ばないため、これによっても立体視を維持することができる。

なお、上記指向性拡散板が充分薄い場合には、液晶パネルの表側に張り付ける配置も可能で、その場合はアンチグレアの効果を持たせることができる。ただし、通常のアンチグレアフィルムは水平方向の光拡散があるので、本発明に適用することはできない。

観察者の観察位置がディスプレイに近いことが想定される環境下では、レンズアレイと拡散板との間にディスプレイと観察者間の距離に近い焦点距離を持つ大口径凸レンズを挿入すると、観察者の右目、左目への画像の振り分けを行い易い。

複数の観察者がいる場合は、各観察者の目と要素レンズの中心を結ぶ直線がバックライトと交わる場所すべてにおいて、右目および左目に対応したバックライト位置を広義に発光させることで、複数の観察者が同時に裸眼立体視をすることが可能となる。

なお、この方式においては、バックライトとして発光させる部分が大幅に狭くなるため、自発光型のドットマトリクスバックライトを用いれば、大幅な省電力化が期待できる。省電力効果は、観察者数が少なく発光領域が狭くて済む時ほど大きくなる。

図１（ａ）と（ｂ）にそれぞれ示す右目用の表示と左目用に表示とは、時分割で交互に行うことができる。この際、上記発光器は輝点の発光領域を左目右目毎にそれぞれ変え、また、光変調素子群は上記発光器からの光を左目右目毎にそれぞれ変調する。

また、バックライトと画像表示の時分割を切れば、このモニターで通常の２次元映像を観察することもできる。そのときには、右目と左目方向にのみ指向性バックライトを発光させる制御を行えば、省電力２次元テレビとして機能する。この方式においては、観察者の両目の３次元位置を常に把握し続けることが望ましい。このための位置センサとしては、既によく知られた磁気式３次元センサなど、観察者にセンサの装着を強いる方法が最も信頼性が高い。しかし、テレビ放送受信などのコンシューマエレクロトニクス用途を考える場合は、センサの装着が不要になる方法が望ましい。この例としては、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ビデオカメラ７と観察者の位置を解析する制御器１０とを用いたコンピュータビジョンによる方法、あるいはマイクロソフト社のkinect（登録商標）センサを用いることができる。

上記のフライアイレンズの変わりにピンホール群を用いた場合でも、上記の実施例１と同様に画素数の拡大や縮小を容易に行うことができることは明らかである。また、レンチキュラーレンズ方式と同様に、パララックスバリア方式でも本発明を適用することができる。

１ バックライト
２ レンズアレイ
３ 拡散板
４ 液晶パネル
５ 観察者
６ 要素レンズ
７ ビデオカメラ

Claims (6)

1. 複数の要素レンズからなるレンズアレイを用いた映像表示装置であって、
   それぞれに発光強度を調整可能な複数の輝点からなる発光器と、
   上記発光器と上記観察者との間に設置され、２次元平面あるいは２次元曲面状に縦横に規則的に配列され、その横の配列方向は上記観察者の右目と左目を結ぶ方向に略平行である集光素子群と、
   上記集光素子群と上記観察者との間に設置され、上記発光器からの光を変調する光変調素子群と、
   上記集光素子群と観察者との間に光を拡散させる拡散器と、を備え、
   上記集光素子群の配列は、それぞれの横並びは所定の周期をもつが、任意の横並びは、その上または下の横並びとは、異なる位相を持つ配列であり、
   上記拡散器は、上記横方向に比べて上記縦方向により拡散させる拡散器であり、上記光変調素子群を制御して上記映像の制御を行うことを特徴とする映像表示装置。
2. 上記発光素子群は異なる位置で交互に発光し、それと同期して上記光変調素子群は、立体映像を融像するための右目用映像と左目用映像を交互に観察者に表示することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
3. 上記拡散器は、微少レンズの複数を平面あるいは曲面状に配列させた拡散板であることを特徴とする請求項１あるいは２のいずれか一方に記載の映像表示装置。
4. 上記発光器からの光は、複数の色相の光を含む光であって、上記光変調素子群のそれぞれの変調素子に照射される光から透過する色相の光を選択するカラーフィルター素子群を備えるものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の映像表示装置。
5. 上記集光素子群の任意の横方向配列は、その上または下の配列と所定の位相差を有するものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の映像表示装置。
6. 上記発光器における発光領域からの光が観察者の左目と右目とに届くように、その発光領域の位置を観察者の位置に応じて制御する制御器を具備することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の映像表示装置。

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