広視野角を有する現実的画像表示装置
【課題】フレネルレンズを用いた広視野角を有する三次元画像表示装置が開示される。
【解決手段】本発明の一実施形態によると、三次元画像表示装置は、画像源を供給する画像源供給部と、画像源供給部から入射する画像源を屈折および透過させる第１フレネルレンズと、第１フレネルレンズから透過される画像を屈折および透過させることによって三次元画像を生成する第２フレネルレンズとを備える。第１フレネルレンズおよび第２フレネルレンズのうちの少なくとも１つは、湾曲型フレネルレンズ表面である。本発明は、三次元画像のための表示領域を最大化することができ、左右の境界上の歪みのない広視野角を有する三次元画像を実現することができる。
【解決手段】本発明の一実施形態によると、三次元画像表示装置は、画像源を供給する画像源供給部と、画像源供給部から入射する画像源を屈折および透過させる第１フレネルレンズと、第１フレネルレンズから透過される画像を屈折および透過させることによって三次元画像を生成する第２フレネルレンズとを備える。第１フレネルレンズおよび第２フレネルレンズのうちの少なくとも１つは、湾曲型フレネルレンズ表面である。本発明は、三次元画像のための表示領域を最大化することができ、左右の境界上の歪みのない広視野角を有する三次元画像を実現することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置に関し、より具体的には、フレネルレンズを用いて広視野角を有する現実的画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、三次元画像表示とは、二次元映像に深さ情報を付加し、この深さ情報を用いることにより、三次元的な迫真性および現実性のある感覚を観察者が感じられるようにする技術を指す。三次元画像表示技術は、特に、教育、健康、軍隊、特殊目的分野など、様々な分野に応用される。そのような技術による様々な形態および方法は、従来技術における一般的な三次元画像表示装置のために、いくつかの種類が提案されている。従来、これらの技術のほとんどは、人間の両眼視差の原理を用いて三次元画像を表示している。左眼および右眼に提示される画像の間にはわずかなずれがあるので、左右の眼による視差認識が三次元の感覚を作り出し、その結果、突き出てくるような感覚が得られることがある。
【０００３】
従来技術の一般的な形態は、主に眼鏡を用いるか否かにかかわらず、左右の画像を切り離すことである。アナグリフタイプ、偏光眼鏡タイプ、および液晶シャッタタイプにおいては眼鏡が用いられるが、レンチキュラタイプ、パララックスバリアタイプ、および光学プレートタイプにおいては眼鏡が用いられない。
【０００４】
これらの従来技術の中で、偏光眼鏡タイプは、最も古く最も安定した三次元表示の様式であって、三次元映画および三次元モニタなどにおいて最も広く使われている。しかしながら、この方法の最大の欠点は、三次元画像用の特別な偏光眼鏡を用いる必要があるということである。従って、特別な偏光眼鏡を着用している間に眼精疲労が増加する。
【０００５】
従来技術において眼鏡を用いないタイプのうち、レンチキュラタイプおよびパララックスバリアタイプは、低輝度および低解像度の画像を提供し、固定した観察位置を観察者に強いるものであり、長時間にわたって観察すると頭痛またはめまいを生じる。
【０００６】
完全な三次元タイプ（ホログラフィックおよびヴォルメトリックの三次元表示タイプを含む）もある。これらのタイプは、空間内に自由に三次元画像を形成することができるが、たとえ静止画を表示するためであっても高価なレーザおよび精密光学部品を必要とし、リアルタイム三次元画像を提供することができない。
【０００７】
これらの問題を解決するために、メガネを用いないタイプが提案されており、リフレクタ、従来の光学レンズおよび凹面鏡などを利用することにより、より低いコストでリアルタイム三次元画像を可能にする。しかしながら、これらの方法のほとんどは、凹面鏡などによる画像の歪みや、大型装置を製造する際の高いコストに遭遇する。特に、大型ディスプレイの三次元画像を得るために大型装置を用いる場合には、非常に幅広い空間を形成する必要があり、これらのタイプの有用性および利用可能性を妨げることになる。
【０００８】
凹面鏡およびリフレクタを用いるこれらの方法に加えて、フレネルレンズを用いる方法は、長年にわたって様々なタイプが提案されている。２つのフレネルレンズを用いることによって三次元画像効果をもたらすことができるということ、および１つ以上のフレネルレンズおよびリフレクタなどを用いることによって三次元画像効果のある三次元画像を作り出すことができるということが開示されている。しかしながら、これらの技術の欠点は、オブジェクト内容を一度に表示するために、使用可能な部分に対する表示の比率が低いということである。大型ディスプレイの三次元画像を得るためには、大型ディスプレイ用の大型の透過型リフレクタおよび画像源を２つ以上形成する必要がある。従って、非常に大きな幅の空間を形成する場合には、高い製造コストが不可避となる。
【０００９】
特に、大型ディスプレイの三次元画像を作り出すために、２つのフレネルレンズを用いる液晶プロジェクタによって拡大され広視野角を有する三次元画像を得ることができる。ここで生成される三次元画像は、中心から１０乃至２０度の範囲内の視野角においては画像の歪みを有し得ないが、この範囲を越えた視野角においては画像の重大な歪みを有し得る。すなわち、この問題は、画面の中央においては等しい奥行き感を有する三次元画像が、臨界角の左右においては画面の裏側に向かって小さくなる、という画像の歪みが生じ得ることである。
【００１０】
従来技術によって三次元画像を実現する際の問題は、画面の中心から１０乃至２０度の部分を除いた残りの部分における画像の重大な歪みのために、三次元画像を完全には見ることができないことがある、ということである。また、大型ディスプレイのために三次元画像をレンダリングする様々な応用は、様々な問題によって制限され得るので、三次元画像の効率的なレンダリングは困難であり得る。３つのフレネルレンズを用いて三次元画像を作り出す技術もまた、中心を除いた残りの部分における画像の歪みのために、表示および応用が制限され得る。フレネルレンズおよびリフレクタを用いる技術は、２つのフレネルレンズを用いるものと同一の利点を有する。大型ディスプレイの三次元画像を得るためには、大型装置を用いる際に、三次元画像用のディスプレイのサイズに比例して、上下前後の側面において比較的に非常に大きな空間の幅が必要であり、三次元画像の投影距離はリフレクタによってより短くなるので、奥行き感が低減する。
【００１１】
図１を参照して、従来技術による２つの平坦フレネルレンズを用いて三次元画像を作り出す原理および問題点を下記に説明する。
【００１２】
図１は、従来技術に基づいて三次元画像をレンダリングする方法を説明するものである。平坦フレネルレンズは、一定の焦点距離ｆを有し、入力画像源が入射する第１フレネルレンズ１１５と、三次元画像を投影するための第２フレネルレンズ１２０とから成る。画像源供給部１１０の中心から第１フレネルレンズ１１５までの距離ｄ１と、第１フレネルレンズ１１５から第２フレネルレンズ１２０までおよび距離ｄ２とに対応する、入力画像源に対する拡大および縮小という形態にて異なる奥行き感を有する三次元画像を、第２フレネルレンズ１２０からｄ３だけ隔てられた位置において生成することができる。
【００１３】
図１に示すように、第１フレネルレンズ１１５と第２フレネルレンズ１２０とを組み合わせることによって、画像源供給部１１０からの一定の位置ｄ１に従って、位置ｄ３の上方の空中に三次元画像を生成することができ、観察者は、一定の領域θ１から三次元画像を観察することができる。ここで、第１フレネルレンズ１１５から第２フレネルレンズ１２０までの距離ｄ２は、画像の歪みまたは収差のない範囲を維持する。
【００１４】
２つのフレネルレンズ１１５および１２０は、第１フレネルレンズ１１５の焦点距離ｆ１と第２フレネルレンズ１２０の焦点距離ｆ２とを有し、２つのフレネルレンズ１１５および１２０は、一定の距離の範囲内で一列に配置されるときに、焦点距離ｆ３ １２７を形成することができる。ここで、ｆ３は、２つのフレネルレンズによって形成される焦点距離である。ここで、２つのフレネルレンズ１１５および１２０を用いて二次元の画像源を投影する場合には、画像が形成される出力画像焦点面１２５を、２つのフレネルレンズ１１５および１２０の焦点距離１２７から内側に向けて球面形状に形成することができる。一方、観察者の視点から観察すると、人間の眼によって認識される三次元画像の出力部分は、一定の口径を有して焦点距離１２７（２つのフレネルレンズ１１５および１２０を配置することによって形成される）を通過する視野角θ１の範囲内にあり得る。この範囲内で、観察者は、出力画像焦点面１２５上に形成されたものと同一の画像を認識することができる。ここで、生成された三次元画像は、あたかも空中に浮いているようである。その原理を、以下に更に詳細に説明する。図１の画像源供給部１１０から投影される二次元画像は、第１フレネルレンズ１１５に向かって投影され得る。第１フレネルレンズ１１５および第２フレネルレンズ１２０は、組み合わさって単レンズのように作用する。出力画像焦点面１２５は、２つのフレネルレンズ１１５および１２０の焦点距離１２７の範囲内に位置する。図１を参照して、画像源供給部１１０および第１フレネルレンズ１１５から投影される画面上の画像が一定の距離ｄ１を維持する場合のみに、所望の三次元画像が出力画像焦点面１２５上に得られる。また、二重フレネルレンズの構造によって形成される三次元画像は、第１フレネルレンズ１１５および第２フレネルレンズ１２０の溝の方向の配置の仕方によって異なる形態を有する出力画像焦点面１２５を形成することができる。なぜなら、光線は、フレネルレンズの溝平面からの入射角の差によって異なる屈折角で屈折するからである。問題は、球面形状に形成される出力画像焦点面１２５が、第２フレネルレンズ１２０の全体の表示領域に対して中心部の約１／４のみにしか形成されず、出力画像焦点面１２５の中心からエッジに向かって三次元画像が小さくなるに従って画像の歪みが生じる、ということである。フレネルレンズ１１５および１２０の溝が互いに対向する場合に形成される球形の出力画像焦点面１２５は、円形の境界平面２２５（図２）を有する三次元画像源の画面２１０（図２）上に形成することができる。従って、画面２１０（図２）の全体サイズと比較すると、生成される三次元画像の表示領域は、中心における円形境界平面２２５の範囲内にレンダリングすることができ、三次元画像に対する背景としての画面２１０の全体サイズと比較すると、表示領域はより小さい部分のみになり得るので、三次元画像を作り出す際の奥行き感が全体的に低減され得る。さらに、画面の左右の遠くから観察すると、三次元画像の球面のために画像の歪みが生じる。
【００１５】
図２は、従来技術による三次元画像源および視野角の形状を説明するものである。
【００１６】
図２を参照すると、平坦フレネルレンズを用いて三次元画像を作り出す際に、球体形状の境界面２２５を画面上に形成することができる。ここで、観察者は、球形の境界面２２５においてしか三次元画像を観察することができない。
【００１７】
図２において、観察者２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃのうち、中央部における観察者２４０ａは、三次元画像２３０ａが一定の深さの程度を有するように感じることができる。しかしながら、観察者２４０ｂおよび２４０ｃが見る画像２３０ｂおよび２３０ｃは、歪んでおり、観察者２４０ａが見る画像２３０ａよりも小さく見え、画像２３０ｂおよび２３０ｃは、奥行き感の低減によって画面２１０の中へと湾曲しているように見える。従って、三次元画像は、観察者の位置によって歪められ得る。また、狭い視野角のために、画像は、同時に多数の観察者によって観察することができず、一定部分の範囲内のみにおいて見ることができる。
【００１８】
図２に示すように、観察者２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃの位置によって、三次元画像の三次元効果は多様であり得る。中心部からすると、左右の画像表示領域（すなわち視野角）が非常に狭くなり得るので、三次元画像をレンダリングする際には、画面２１０全体の中心部しか利用できない。従って、従来技術における三次元画像の視野角および表示領域の制限のために、この方法は、様々な分野には適用し得ない。このようにして、従来技術による球形に形成される出力画像焦点面１２５は、狭い視野角を有し、球形にレンダリングされる入力画像源の二次元の平面画像によると、画像源の中心からエッジに向かって画像の歪みが強まる。従来技術の方法を実施する場合には、三次元画像をレンダリングする際に、全体画面領域に対して中心部の１／４に使用が限定されるので、画像の表示が限定され得るし、三次元画像がレンダリングされる境界平面において画像の歪みが強まるので、これらの方法を用いる場合には、狭い視野角が不可避である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、三次元画像の表示領域を最大化することができ、左右の境界面上の画像に歪みがなく広視野角を有する三次元画像を実現することのできる、広視野角を有する三次元画像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の一態様によると、第１フレネルレンズおよび第２フレネルレンズの二重結合構造を用いて広視野角を有する三次元画像表示装置が開示される。
【００２１】
本発明の一実施形態によると、第１フレネルレンズおよび第２フレネルレンズのうちの少なくとも１つが湾曲フレネルレンズである、広視野角を有する三次元画像表示装置が開示される。三次元画像表示装置は、画像を供給するための画像源と、画像源からの画像を屈折および透過させるための第１フレネルレンズと、第１フレネルレンズを通して透過される画像を屈折および透過させることによって三次元画像を生成するための第２フレネルレンズとを備える。
【００２２】
第１フレネルレンズは、湾曲フレネルレンズであり得て、第２フレネルレンズは、平坦フレネルレンズであり得る。
【００２３】
ここで、第１フレネルレンズの焦点距離は、第２フレネルレンズの焦点距離以上であり得る。
【００２４】
ここで、第１フレネルレンズの焦点距離は、第２フレネルレンズの焦点距離より短くあり得る。
【００２５】
本発明の一実施形態によると、第１フレネルレンズおよび第３フレネルレンズが、反対方向を向く平坦フレネルレンズであり、第１フレネルレンズの溝が、画像源に対向する方向に形成されるように構成され、第３フレネルレンズの溝が、第２フレネルレンズに対向する方向に形成されるように構成され、第２フレネルレンズが、平坦フレネルレンズである、広視野角を有する三次元画像表示装置が開示される。三次元画像表示装置は、第１フレネルレンズを通して透過される画像を屈折および透過させるために、第１フレネルレンズと第２フレネルレンズとの間に配置された第３フレネルレンズを更に備えてもよい。
【００２６】
ここで、本発明の一実施形態によると、第１フレネルレンズおよび第３フレネルレンズが、平坦フレネルレンズであるように構成され、第１フレネルレンズの溝および第３フレネルレンズの溝が、互いに対向する方向または反対方向に形成されるように構成され、第２フレネルレンズが、湾曲フレネルレンズであるように構成される、広視野角を有する三次元画像表示装置は、第１フレネルレンズと第２フレネルレンズとの間に配置され、かつ第１フレネルレンズを通して透過する画像を屈折および透過させるように構成される、第３フレネルレンズを更に備えてもよい。
【００２７】
アンチグレア、ＡＲ偏光フィルムおよび表面反射防止マスクのうちのいずれか１つが、第１フレネルレンズまたは第２フレネルレンズの表面にわたってコーティングされる。
【００２８】
画像源は、主画像を供給するように構成される主画像源と、主画像の背景としての背景画像を供給するように構成される背景画像源とを備えてもよい。
【００２９】
画像源は、画像源を反射して画像源を透過させるように構成された半透明ミラーを備えてもよい。
【００３０】
画像源は、ＣＲＴ、ＬＣＤ、ＰＤＰ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、ＤＬＰプロジェクタおよびフレキシブルディスプレイのうちのディスプレイまたは実物体であってもよい。
【００３１】
本発明の別の実施形態によると、広視野角を有する三次元画像表示装置は、画像を供給するように構成された画像源と、湾曲型フレネルレンズ表面を有するように構成されたフレネルレンズとを備えてもよく、湾曲型フレネルレンズ表面は、入射光線を反射および透過させ、平坦型フレネルレンズ表面は、両面にそれぞれ形成される湾曲型フレネルレンズ表面よりも短い焦点距離を有する。
【００３２】
アンチグレア、ＡＲ偏光フィルムおよび表面反射防止マスクのうちのいずれか１つが、平坦型フレネルレンズ表面にわたってコーティングされる。
【００３３】
本発明の別の態様によると、両面に溝が形成されたフレネルレンズが開示される。
【００３４】
本発明の一実施形態によると、両面に溝が形成されたフレネルレンズは、入射光線を反射および透過させるように構成された湾曲型フレネルレンズ表面と、湾曲型フレネルレンズ表面を通して透過される入射光線を反射および透過させ、かつ湾曲型フレネルレンズ表面よりも小さい焦点距離を有するように構成された平坦型フレネルレンズ表面とを備えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来技術による三次元画像装置を説明する断面図である。
【図２】従来技術による三次元画像源および視野角の形状を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。
【図４】図３の装置によって実現される、画像と、観察者の位置から見ることのできる三次元画像を示す形状とを説明する図である。
【図５】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置が備える平坦フレネルレンズおよび湾曲フレネルレンズの屈折度を表す図である。
【図６】本発明の一実施形態による湾曲フレネルレンズおよび湾曲を形成する方法を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。
【図８】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。
【図９】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。
【図１０】図７に図示するような本発明による広視野角を有する三次元画像装置を実現する実施形態を説明する斜視図である。
【図１１】図８に図示するような本発明による広視野角を有する三次元画像装置を実現する実施形態を説明する斜視図である。
【図１２】図９に図示するような本発明による広視野角を有する三次元画像装置を実現する実施形態を説明する斜視図である。
【図１３】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置において用いるフレネルレンズを説明する断面図である。
【図１４】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。
【図１５】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明は、様々な変更および数多くの実施形態が可能であるが、特定の実施形態を図面に図示して明細書に詳述する。しかしながら、このことは本発明を特定の実施形態に限定することを意図するものではなく、本発明の趣旨および技術的な範囲から逸脱しないあらゆる変更、等価物および代替物が本発明に含まれる、ということを理解すべきである。「第１」および「第２」などの用語は、様々な要素を説明する際に用いることがあるが、上記の要素は、上記の用語に限定されないものとする。上記の用語は、１つの要素を他の要素と区別するためにのみ用いる。例えば、本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく、第１要素を第２要素と呼ぶことが可能であり、その逆も可能である。「および／または」という用語は、複数の列挙項目の組み合わせ、または複数の列挙項目のいずれかを含むものとする。ある構成要素が他の構成要素に「接続される」または「アクセスする」と記載する場合には、他の構成要素の上に直接的に形成されるかまたは積み重ねられることを意味し得るが、その中間に他の構成要素が存在してもよい、ということを理解すべきである。一方、ある構成要素が他の構成要素に「直接的に接続される」または「直接的にアクセスする」と記載する場合には、その中間に他の構成要素が存在しない、ということを理解すべきである。
【００３７】
本明細書において用いる用語は、特定の実施形態を説明するためにのみ用いるものであって、本発明を限定することを意図しない。文脈において明らかに異なる意味を有する場合を除いて、単数形にて用いる表現は複数の表現をも含む。本明細書において、「含む」または「有する」などの用語は、本明細書にて開示する特徴、数、工程、動作、構成要素、部分、またはそれらの組み合わせの存在を示すことを意図するものであって、１つ以上の他の特徴、数、工程、動作、構成要素、部分、またはそれらの組み合わせが存在し得るかまたは追加され得る可能性を排除することを意図するものではない、ということを理解すべきである。
【００３８】
特に定義されない限り、本明細書において用いるすべての用語（専門用語および科学用語を含む）は、本発明が関連する技術分野における当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。一般的な辞書において定義される任意の用語は、関連技術の文脈におけるものと同じ意味を有すると解釈されるものとし、特に明示的に定義されない限り、観念論的または極端に形式主義的な意味を有するようには解釈されないものとする。
【００３９】
本発明の一定の実施形態を、添付図面を参照しながら以下に詳細に説明する。本発明の態様の説明にあたり、より良好な全体的理解のために、図の番号とは関係なく、同一の手段には同一の参照番号を用いる。同一のまたは対応する構成要素には、図の番号とは関係なく同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４０】
図３は、本発明の実施形態による広視野角を有する現実的画像装置を説明する断面図である。
【００４１】
本発明の実施形態による三次元画像表示装置は、画像源を供給する画像源供給部３１０と、視野角を拡張し、画像源供給部３１０から投影される画像源から歪みのない三次元画像を形成する、湾曲フレネルレンズ３１５と、湾曲フレネルレンズ３１５から屈折および拡張した画像を屈折および集光することにより焦点面において三次元画像を形成する平坦フレネルレンズ３２０とを含み得る。
【００４２】
画像源３１０は、例えば、ＣＲＴ、ＬＣＤ、ＰＤＰ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、ＤＬＰプロジェクタおよびフレキシブルディスプレイなどのディスプレイであり得る。本発明の他の実施形態において、画像源３１０は、実物体であってもよい。すなわち、本発明の本実施形態において開示するフレネルレンズを用いて三次元画像を生成する場合、ディスプレイまたは実物体が画像源３１０であり得る。
【００４３】
ここで、湾曲フレネルレンズは、一定パターンの湾曲を有し得る。湾曲フレネルレンズは、平坦フレネルレンズに対して、曲率半径Ｒを有するように均等な力を加えることによって形成することができる。そのような方法を用いることにより、より低いコストによる大量生産が可能であり、湾曲フレネルレンズの特性を有する平坦フレネルレンズという特殊形状の製造を実現することができる。
【００４４】
上記に加えて、湾曲フレネルレンズ３１５または平坦型フレネルレンズ３２０の表面にわたってコーティングされたアンチグレア、ＡＲ偏光フィルムおよび表面反射防止マスクは、内部光反射および屈折時の光分散などを低減することができる。これらの物質の構造および組み合わせは、本発明が属する技術分野の当業者よって一般に理解されるものであるので、従来技術の一定の詳細説明は省略する。上記の物質を、以下に説明するレンズの表面にわたって積み重ねることもできる。
【００４５】
レンズ部分は、湾曲フレネルレンズ３１５と平坦フレネルレンズ３２０とを備える。ｆＦが平坦フレネルレンズの焦点距離であり、ｆＣが湾曲フレネルレンズの焦点距離であるとき、レンズ部分の焦点距離は、平坦フレネルレンズの焦点距離ｆＦおよび湾曲フレネルレンズの焦点距離ｆＣの合計に等しくなり得る。湾曲フレネルレンズ３１５には、画像源からの入力画像が入射し、平坦フレネルレンズ３２０は、入力画像を投影する。入力画像から湾曲フレネルレンズまでの距離Ｄ１と、湾曲フレネルレンズから平坦フレネルレンズまでの距離Ｄ２とに対応して、三次元画像の広視野角を形成し、像の歪みのより少ない大型ディスプレイの三次元画像を形成することができる。このことを、下記に更に詳細に説明する。フレネルレンズは、薄く平坦なフレネルレンズであり、標準的な凹レンズまたは凸レンズと同一の光学特性を有するように、表面上に一定パターンの湾曲を提供することによって形成され、フレネルレンズは、単一のＦナンバを有する。フレネルレンズには、２つの形状がある。すなわち、平行入射光を屈折させてフレネルレンズの焦点に収束させるコレクタとして機能するか、または入射光を反対方向に屈折させて平行経路を有するようにするコリメータとして機能する、凸レリーフのあるフレネルレンズ、および平行入射光を分散する発散レンズとして機能する凹レリーフのあるフレネルレンズである。平坦フレネルレンズは、主に、プロジェクションテレビおよびオーバーヘッドプロジェクタにおいて用いられる。そのような種類のフレネルレンズは、凸レリーフのあるフレネルレンズに代替してもよく、フレネルレンズの溝の方向に関する配置によっては、凹レリーフのあるフレネルレンズに代替してもよい。
【００４６】
図３を参照すると、平坦フレネルレンズ３２０および湾曲フレネルレンズ３１５は、二重フレネルレンズを形成する。
【００４７】
平坦フレネルレンズ３２０および湾曲フレネルレンズ３１５は、いずれも同一の中心軸に配置される。二重フレネルレンズ構造のフレネルレンズのうち、湾曲フレネルレンズ３１５の焦点距離ｆＣは、平坦フレネルレンズ３２０の焦点距離ｆＦよりも大きくなり得る（すなわちｆＣ≧ｆＦ）。湾曲フレネルレンズ３１５は、湾曲を有しており、変形時には中心および端部においてそれぞれ異なる距離Ａおよび距離Ｂが生じるので、同一の奥行き感を有する三次元画像を確立するために、長い焦点距離を有する平坦フレネルレンズを用いて湾曲フレネルレンズ３１５を形成することができる。ここで、湾曲フレネルレンズ３１５の焦点距離は、平坦フレネルレンズ３２０の焦点距離と比較して、より大きいか、より小さいか、または同じであり得る。すなわち、湾曲フレネルレンズ３１５の焦点距離は、平坦フレネルレンズ３２０から出力画像焦点面３２５までの距離Ｄ３を決定して三次元画像の感覚を増加させることができる。
【００４８】
従って、広視野角を形成することができ、平坦フレネルレンズ３２０以上の焦点距離を有する湾曲フレネルレンズ３１５によって三次元画像の表示領域を拡大することができる。それに加えて、平坦フレネルレンズ３２０および湾曲フレネルレンズ３１５を組み合わせた二重フレネルレンズを配置する場合には、画像源３１０と湾曲フレネルレンズ３１５との間の距離Ｄ１、または湾曲フレネルレンズ３１５と平坦フレネルレンズ３２０との間の距離Ｄ２を制御すること、および望ましい三次元画像のサイズおよび奥行き感を制御することにより、有効な三次元画像をレンダリングすることができる。すなわち、二重フレネルレンズの焦点距離をＦとすると、画像源３１０と湾曲フレネルレンズ３１５との間の距離Ｄ１が２Ｆ＜Ｄ１＜１Ｆを満たす場合に、入力画像よりも大きな三次元画像を形成することができる。Ｄ１＝２Ｆである場合には、入力画像と同一のサイズを有する三次元画像を形成することができ、Ｄ１＞２Ｆである場合には、入力画像よりも小さい三次元画像を形成することができる。図３に説明する距離Ａおよび距離Ｂは、湾曲フレネルレンズ３１５と平坦フレネルレンズ３２０との間をそれぞれ中心部と端部とにおいて測定したものである。中央の観察者の視点から観察される三次元画像のサイズおよび空間位置は、三次元画像の生成距離である距離Ｄ３によって決定することができる。ここで、画像源３１０から湾曲フレネルレンズ３１５までの距離Ｄ１と、湾曲フレネルレンズ３１５から平坦フレネルレンズ３２０までの距離Ｄ２（図３に図示するようにその中心における距離はＡ）とを、その光軸に沿って合計することによって、Ｄ３が形成される。
【００４９】
一方、観察者の観察位置が現在の中心位置から移動すると、一定の曲率半径Ｒを有する湾曲フレネルレンズ３１５に従って、画像源３１０と湾曲フレネルレンズ３１５との間の距離は小さくなり得る。一方、湾曲フレネルレンズ３１５と平坦フレネルレンズ３２０との間の距離は増加してもよく、画像源から入射する入力画像は、湾曲フレネルレンズ３１５を通って拡大および屈折されてから、平坦フレネルレンズ３２０へと投影されることができる。
【００５０】
従って、湾曲フレネルレンズ３１５によって、左右の境界における歪みなしに、三次元画像の視野角をより広く拡大することができる。すなわち、入力画像は、２つのレンズ間の距離を増加させつつ湾曲フレネルレンズ３１５によって拡大および屈折され、次に平坦フレネルレンズ３２０へと投影される。図４に図示するように、そのような方法によって、中心からの入力画像によって生成される三次元画像のサイズおよび奥行き感は、視野角θ２の範囲内において、境界平面上のものと等しくすることができるので、境界平面上における歪みのない三次元画像を呈示することができる。
【００５１】
一定の曲率半径Ｒを有する湾曲フレネルレンズ３１５において、左右の境界平面上の入射境界面の溝の角度は、湾曲した表面構造によって減少できるので、平坦フレネルレンズ３２０に向かう光は、より小さい屈折角を有して投影されることができる。その結果、湾曲フレネルレンズ３１５を用いて湾曲面形状を形成することによって、中心ではなく左右の境界平面における入射境界面の角度の変化により、屈折の範囲を拡張することができるので、より大きな範囲の入力画像に対して表示領域を形成することができる。
【００５２】
入力画像は、屈折および透過によって、湾曲フレネルレンズ３１５および平坦フレネルレンズ３２０の二重構造の一定の焦点距離の範囲内で、出力画像焦点面３２５に表示することができる。表示される三次元画像は、９０乃至１００度の範囲から歪みなしに観察することができ、左右の一番上の角度において同一の奥行き感を有することができる。従って、本発明の本実施形態によると、大型ディスプレイのための広視野角を有する三次元画像を形成することができる。
【００５３】
本発明の本実施形態によると、従来技術と比較して、表示領域および広視野角がより広く、像の歪みのない、三次元画像を形成することができる。
【００５４】
この場合、フレネルレンズの中心間の距離差Ａは、三次元画像を確立する際に三次元画像の歪みおよび色収差のない範囲内で一定にすることができ、フレネルレンズの境界端部間の距離差Ｂは、湾曲フレネルレンズの曲率半径Ｒによって形成することができる。上記に加えて、現実的画像表示装置は、表示部分の境界面における三次元画像の歪みを補償することができ、湾曲フレネルレンズ３１５および平坦フレネルレンズ３２０の二重結合構造によって従来技術において制約的に用いられている三次元画像レンダリング用の画面領域全体を拡張することができる。なぜなら、画像のＲ、Ｇ、Ｂの色は、湾曲フレネルレンズに入ることによって、画像の色が形成される三次元画像上の色同士の投影距離の差を低減することができるからであり、従来の半球型の三次元画像ではなく平坦型の三次元画像を形成することによって、コマが低減されるからである。
【００５５】
また、湾曲フレネルレンズ３１５および平坦フレネルレンズ３２０の二重結合構造は、従来技術における複合的平坦フレネルレンズの二重結合構造において生じる、コマの境界面における像の色収差および歪みを低減または除去することができる。従来技術によると、フレネル型を用いる場合には、異なる光の波長を有するＲ、Ｇ、Ｂの色として三次元画像を見る際に、色の縞として見えるレンズの色収差が生じることがある。なぜなら、フレネルレンズの異なる屈折率によって、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色は、焦点面において単一の共通点に焦点を合わせることができないからである。また、光軸に沿って斜めに光線が投影されると、コマ（一定の光学設計に固有の収差、または軸外点光源をもたらすレンズの欠陥による収差を指す）が生じることがある。しかしながら、湾曲フレネルレンズ３１５および平坦フレネルレンズ３２０の二重フレネルレンズを用いると、色収差およびコマを最小限に抑えることができる。
【００５６】
図４は、図３の装置によって実現される、画像と、観察者の位置から見ることのできる三次元画像を示す形状とを説明する図である。湾曲フレネルレンズ３１５および平坦フレネルレンズ３２０を構成することによって、三次元画像装置の画面４１０において三次元画像を観察する部分は、４３０ａ、４３０ｂ、４３０ｃとなり得る。部分４３０ａ、４３０ｂ、４３０ｃにおいて、歪みのない広い三次元画像をレンダリングすることができる。
【００５７】
湾曲フレネルレンズ３１５によって、入力画像４３０を湾曲面に対して拡張および屈折させることができる。拡張および屈折された画像は、平坦フレネルレンズ３２０によって一定の焦点距離３２７において再び屈折させることができる。従来技術における２つの平坦フレネルレンズによって、観察者４４０ａが観察する三次元画像を形成することができる。また、観察者４４０ｂ、４４０ｃによって観察される三次元画像は、より大きな屈折度によって拡張され、湾曲フレネルレンズによってより広い部分に透過され得る。三次元画像は、平坦フレネルレンズ３２０に対して再び投影され得るので、観察者は、より広範囲の視野角θ２において三次元画像を観察することができる。また、湾曲フレネルレンズ３１５と平坦フレネルレンズ３２０との間の間隔は、中心部と端部とで異なり得る。すなわち、湾曲フレネルレンズと平坦フレネルレンズとの間の間隔Ｂを間隔Ａよりも大きくすることによって、三次元画像４２０を拡張することができる。
【００５８】
従って、観察者４４０ｂ、４４０ｃによって観察される三次元画像４３０ｂ、４３０ｃは、観察者４４０ａによって観察される、奥行き感があって歪みのない三次元画像４３０ａと同一であり得る。従来技術における円形の表示領域２２５と比較すると、本発明は、大型ディスプレイ用の長方形の表示領域４４５を提供するので、まったく処理をしない二次元画像が、奥行き感を有し得る。ここで、湾曲フレネルレンズ３１５は、平坦フレネルレンズに対して、曲率半径Ｒを有するように力を加えることによって形成できるので、より低いコストでの大量生産が可能である。本発明の本実施形態によると、本発明は、二次元画像源または実物体を用いて空中に歪みのない大きな平面画像として二次元画像源を拡張する従来技術の三次元画像表示装置、および空中の一定の距離に歪みのない画像を投影する装置に応用することができる。特に、レンズを用いない三次元画像効果による三次元画像表示装置において、空中の一定の距離に二次元の画像を投影することによって奥行き感を有する空間透過効果を提供することができる。より具体的には、臨界角の左右において歪みのない等しい奥行き感を有する三次元画像を見るために、レンズのない三次元画像表示装置が提供され、従来技術の問題を克服するために、湾曲フレネルレンズおよび平坦フレネルレンズを一列に配置した二重フレネルレンズ構造を用いることによって、三次元画像を、より幅広い視野角から観察することができ、より広い表示部分においてレンダリングすることができる。
【００５９】
図５は、平坦フレネルレンズ５１０および湾曲フレネルレンズ５２０の屈折度を表す図である。平坦フレネルレンズ５１０の表面は、非球面レンズのための以下の方程式（１）によって得ることができる。
【００６０】
【数１】
【００６１】
ここで、Ｚは、非球面レンズの表面であり、Ｃは、レンズの頂点湾曲であり、ｋは、円錐定数である。ｋ＝０の場合は円形であり、ｋ＜−１の場合は双曲的であり、−１＜ｋ＜０の場合は扁円の楕円であり、ｋ＞０の場合は長楕円である。それに加えて、α、β、γ、δは、レンズの非球面特性を決定するための非球面数値である。平坦フレネルレンズ５１０の場合には、図５に図示するように、入力画像に対応する光源のうち、ある一点を通って透過する単一の光線（実線）は、平坦フレネルレンズ５１０上に形成される溝の境界面を通過し得る。ここで、入射光の光線は、溝表面に向かう垂直線（点線）に沿ってαの角度で入射し、次にある角度でレンズ５１０を透過する。湾曲フレネルレンズ５２０の場合には、レンズ５２０は溝とは異なる入射角を有するので、同一の入射光の光線が、一定の数値の湾曲を有する湾曲フレネルレンズ５２０の溝に入射するときに、光線はα’の角度で溝の表面に入射する。従って、α’はαよりも小さく、光線はある角度でレンズ５２０を透過する。すなわち、そのように、平坦フレネルレンズと比較して湾曲を有する湾曲フレネルレンズの部分において、同一の点を透過する単一の光線は、より小さな角度で屈折することができる。従って、湾曲フレネルレンズを透過する画像源は、より広い部分において拡大および屈折させることができるので、大型ディスプレイのための広い視野角および表示部分を提供することができる。
【００６２】
図６は、本発明の一実施形態による湾曲フレネルレンズ６２０と湾曲とを形成する方法を示す図である。湾曲フレネルレンズ６２０を製造する方法によると、曲率半径Ｒを有する湾曲フレネルレンズは、平坦フレネルレンズ６１０に対して均等な力を加えることによって形成することができる。ここで、フレネルレンズの湾曲６３０をｒとしてレンダリングし、定数を有するｒがオプションとして１〜４として表される場合に、定曲率を有する湾曲フレネルレンズ６２０を形成することができる。本発明において用いられる湾曲フレネルレンズは、湾曲の差によって屈折および透過において異なる特性を有し得る。
【００６３】
ここでは通常の平坦フレネルレンズ６１０から湾曲フレネルレンズ６２０を製造する方法を説明するが、湾曲フレネルレンズ６２０は、通常の平坦フレネルレンズから製造せずに、通常の湾曲フレネルレンズから直接的に形成することができる。
【００６４】
図７は、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。以下に、相違点のみを説明する。
【００６５】
観察者７４０ａに対する中央軸線７０５を有する画像源供給部分７１０と、広視野角の深みを入力画像に提供する湾曲フレネルレンズ７１５と、湾曲フレネルレンズ７１５を通過した画像を三次元画像にする平坦フレネルレンズ７２０とを図示する。ここで、湾曲フレネルレンズ７１５を構成するために用いられる１つのフレネルレンズの焦点距離ｆ２は、平坦フレネルレンズ７２０の焦点距離ｆ１以上であり得る。湾曲フレネルレンズ７１５の溝の表面が画像源７１０に対向し、平坦フレネルレンズ７２０の溝の表面が観察者に対向し得るように、２つのレンズが配置される。この配置は、左右の境界上の入力画像を拡大するとともに、より広い角度で入力画像を拡大および屈折するためのものである。入力画像を画像歪のない三次元画像として生成するために、追加的に１つ以上のフレネルレンズを配置することも可能であり、構造のタイプがそれを可能にする。平坦フレネルレンズ７２０および湾曲フレネルレンズ７１５が、その中心軸に配置される。
【００６６】
従って、観察者７４０ａ、７４０ｂ、７４０ｃは、レンズの構成によって、９０乃至１００度よりも大きな広視野角から等しい奥行き感を有する三次元画像７３０ａ、７３０ｂ、７３０ｃを観察することができる。
【００６７】
図８は、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。以下に、相違点のみを説明する。
【００６８】
図８（ａ）を参照して、二重フレネルレンズ構造を形成する２つの湾曲フレネルレンズ８１５、８２０を説明する。２つの湾曲フレネルレンズ８１５、８２０の溝は、それぞれ反対方向に配置される。第１湾曲フレネルレンズ８１５は、平坦フレネルレンズよりも広い方向に入力画像を屈折させることができる。第２湾曲フレネルレンズ８２０は、平坦フレネルレンズよりも狭い方向に入力画像を屈折させることができるので、視野角を低減させることができる。本発明の実施形態によって生成される三次元画像８３０ａ、８３０ｂ、８３０ｃは、左右の臨界角において歪みを有しない。図８（ａ）を参照すると、レンズの構成によって、観察者８４０ａ、８４０ｂ、８４０ｃは、２０乃至３０度の視野角の範囲内において等しい奥行き感を有する三次元画像を観察することができる。なぜなら、光線は第２レンズの湾曲面を通って中心部に集まるからである。複合的な湾曲フレネルレンズ８１５、８２０を、同一の中央軸線に配置することができる。
【００６９】
図８（ａ）を参照すると、湾曲フレネルレンズ８１７、８２２の溝の方向は、同じ方向に配置することができる。複合的な湾曲フレネルレンズ８１７、８２２は、同一の中央軸線に配置することができる。生成される三次元画像８３２ａ、８３２ｂ、８３２ｃは、左右の臨界角において歪みを有してもよく、歪みの効果は、湾曲フレネルレンズとしての役割を果たしてもよいので、２０乃至３０度の狭い視野角を形成することができる。従って、観察者８４２ａ、８４２ｂ、８４２ｃは、２０乃至３０度の狭い視野角の範囲内で等しい奥行き感を有する三次元画像８３２ａ、８３２ｂ、８３２ｃを観察することができる。図９は、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。以下に、相違点のみを説明する。
【００７０】
図９（ａ）を参照すると、画像源９１０と、画像源を透過させる平坦フレネルレンズ９１５と、透過画像用の広視野角および奥行き感を有する湾曲フレネルレンズ９２０とが提供される。
【００７１】
このような場合は、たとえレンズが広視野角を有していても、左右の外角において画像の歪みが生じ得る。この構成において、平坦フレネルレンズ９１５は、入力画像を屈折および収束させるためにあり、湾曲フレネルレンズ９２０は、入力画像を拡大および再屈折させるためにある。しかしながら、平坦フレネルレンズ９１５において入力画像の屈折が頻繁に生じ、湾曲フレネルレンズ９２０は、屈折された画像を左右に拡大するためにあるので、境界面にわたって形成される三次元画像９３０ｂ、９３０ｃは、上部と底部との間の一部が拡大されて表示される。
【００７２】
図９（ｂ）を参照すると、湾曲フレネルレンズ９１７の溝は、平坦フレネルレンズ９２２の方向にある。このような構成は、広視野角を有し得るが、左右の臨界角における三次元画像がより小さくなり得る。図９（ｃ）を参照すると、湾曲フレネルレンズ９１９の溝の方向は、画像源９１４の方へ配置され、平坦フレネルレンズ９２４の方向は、観察者９４４ａ、９４４ｂ、９４４ｃの方へ配置される。このような構成は、左右の臨界角における歪みなしに広視野角を有し得るが、この構成はまた、中心において円形バブルが形成されるので、大型ディスプレイの三次元画像を得るにあたって障害を有し得る。
【００７３】
図８および図９に示されるような本発明の本実施形態による三次元画像表示装置は、たとえ装置が一部分において狭い視野角を形成しても、適切な部分または限定された空間において三次元画像をレンダリングすることができる。
【００７４】
図１０は、図７に図示するような本発明による広視野角を有する三次元画像装置を実現する実施形態を説明する斜視図である。図１０を参照して、入力画像を提供するための画像処理装置を含む画像源１０１０と、中心および左右の臨界角において広視野角および等しい奥行き感を有すると大型ディスプレイの三次元画像１０３０を提供する湾曲フレネルレンズ１０１５と、三次元画像１０３０を生成する平坦フレネルレンズ１０２０とを説明する。画像源１０１０から湾曲フレネルレンズ１０１５までの距離は、三次元画像１０３０のサイズおよび奥行き感によって変更することができる。また、湾曲フレネルレンズ１０１５から平坦フレネルレンズ１０２０までの距離は、三次元画像１０３０のサイズ収差および色収差を有しない距離であり得る。
【００７５】
実際に実施する実施形態の説明として、フレネルレンズは、Ｍ９７００およびＭ９５５０（株式会社３Ｍの商品名）のそれぞれから成った。Ｍ９７００は、３５０ミリメートルの焦点距離を有し、Ｍ９５５０は、３７０ミリメートルの焦点距離を有する。同様に、２つのフレネルレンズは、異なる焦点距離を有し、より長いほうの焦点距離を有するフレネルレンズは、入力画像に対向して配置することができ、湾曲した種類の一定の湾曲を形成することができる。また、湾曲フレネルレンズ１０１５と平坦フレネルレンズ１０２０とを備える二重フレネルレンズの焦点距離は、約１８５ミリメートルである。ここで、曲率半径は、約１２０ミリメートルである。入力画像から湾曲フレネルレンズ１０２０までの距離は、約３０センチメートルであり、湾曲フレネルレンズ１０１５と平坦フレネルレンズ１０２０との間の距離は、１乃至２センチメートルに維持しなければならない。ここで、二次元の画像は、平坦フレネルレンズ１０２０から観察者に向かって約３０乃至４０センチメートルの距離の空中に形成される三次元画像へと変換することができる。ここで、観察者は、９０乃至１００度の広視野角ならびに臨界角からも、歪みなしに三次元画像を観察することができる。また、より広い視野角を形成するための比率１６：９のワイドタイプのフレネルレンズを用いることにより、９０度を超える広視野角を提供することができる。
【００７６】
図１１は、図８に図示するような本発明による広視野角を有する三次元画像装置を実現する実施形態を説明する斜視図である。以下に、相違点のみを説明する。
【００７７】
図１１を参照して、画像を提供するための制御装置１１０２と、スピーカ部１１０５と、三次元画像を提供するための第１画像源１１０４と、背景画像１１２５を提供するための第２画像源１１０６と、第１画像源１１０４によって三次元画像を生成すると同時に第２画像源１１０６によって背景画像１１２５を生成して両画像源から光を除去する５０：５０の比率の透過率を有するハーフミラー１１０８と、中心ならびに臨界角および広視野角において同一の奥行き感を有する大型ディスプレイの三次元画像を提供するための湾曲フレネルレンズ１１１５と、三次元画像１１３０を生成するための平坦フレネルレンズ１１２０とが提供される。第１画像源１１０４から生成される第１入力画像は、ハーフミラー１１０８によって反射されて、湾曲フレネルレンズ１１１５に向かって投影される。一方、ハーフミラー１１０８の背後に配置される第２画像源１１０６から生成される第２入力画像は、ハーフミラー１１０８を介して、湾曲フレネルレンズ１１１５に向かって投影される。
【００７８】
ここで、湾曲フレネルレンズ１１１５から第１画像源１１０４までの距離は、湾曲フレネルレンズ１１１５から第２画像源１１０６までの距離よりも長い。背景画像１１２５および三次元画像１１３０は、各画像源と湾曲フレネルレンズ１１１５との間の距離、すなわち各画像源がある場所と湾曲フレネルレンズ１１１５との間の距離に従って生成することができる。図１２は、図９に図示するような本発明による広視野角を有する三次元画像装置を実現する実施形態を説明する斜視図である。以下に、相違点のみを説明する。
【００７９】
図１２を参照して、小容積の空間を有するコンパクト型装置に対して本発明の装置を実現するための組み合わせが提供される。画像を提供する制御装置１２０２と、画像源１２０４と、反射部（光学ミラー）１２０６と、湾曲フレネルレンズ１２１５と、平坦フレネルレンズ１２２０とが提供される。画像源１２０４および湾曲フレネルレンズ１２１５は、ほぼ直角に配置されるので、本発明の装置が配置される場所の長さおよび容積を考慮しながら、垂直または水平の長さを調節することができる。三次元画像は、画像源から湾曲フレネルレンズ１２１５および平坦フレネルレンズ１２３０への距離に従って生成される。同様に、三次元画像表示装置は、ハーフミラーのみを用いて入力画像と二重フレネルレンズとの構造間距離を最小限に抑えることによって、全体として狭い空間幅を有する。図１３は、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置において用いるフレネルレンズを説明する断面図である。
【００８０】
図１３を参照すると、本発明の実施形態によるフレネルレンズは、一方の面に溝が形成された、湾曲フレネルレンズ１３１０および平坦フレネルレンズ１３２０から成る。すなわち、両方の面に溝を有するフレネルレンズ１３２０は、一方の面における湾曲フレネルレンズと他方の面における平坦フレネルレンズとを有してもよい。ここで、湾曲フレネルレンズおよび平坦フレネルレンズの焦点距離は、互いに異なり得る。焦点距離および溝の種類は、本発明の様々な実施形態において特別に提供される湾曲フレネルレンズおよび平坦フレネルレンズに対応して形成することができる。
【００８１】
そのように実現されるレンズの配置は、空間の使用を簡素化し最大化することができ、本発明と同一の効果を有する三次元画像表示装置に適用することができる。図１４は、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。以下に、相違点のみを説明する。
【００８２】
図１４を参照して、湾曲フレネルレンズの溝と平坦フレネルレンズの溝とが両面にそれぞれ形成された両面フレネルレンズ１４２０が提供される。すなわち、本発明の一実施形態による湾曲フレネルレンズおよび平坦フレネルレンズの構造を単純化するために、これら２つのレンズの特性を両面レンズ上に形成した単一複合体構造の両面フレネルレンズ１４２０が提供される。画像源１４１０から生成される入力画像は、両面フレネルレンズ１４２０を透過して出力画像焦点面１４２５を通り、広視野角を有する三次元画像１４３０を生成する。このような組み合わせによって、三次元画像表示装置を製造する方法は、大量生産のレンズの使用により、単純かつはるかに容易にできるので、省スペースおよび製造コストにおいて利点を有する。
【００８３】
図１５は、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。以下に、相違点のみを説明する。
【００８４】
図１５（ａ）を参照すると、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像表示装置１５００は、画像源１５１０と、画像源１５１０に向かって溝がある第１湾曲フレネルレンズ１５１１と、外側に投影される画像に向かって溝がある第２湾曲フレネルレンズと、平坦フレネルレンズ１５２０とを備えてもよい。第１湾曲フレネルレンズ１５１１の位置は、その焦点距離を、画像源１５１０と第１湾曲フレネルレンズ１５１１との間の距離よりも短くすることによって、入力画像を広い角度に拡張することを特徴とする。第２湾曲フレネルレンズ１５１５は、第１湾曲フレネルレンズ１５１１から透過され拡張された画像を平坦フレネルレンズ１５２０の境界へと集めるためのものである。ここで、第１湾曲フレネルレンズ１５１１、第２湾曲フレネルレンズ１５１５、および平坦フレネルレンズ１５２０は、同一の中央軸線上に配置される。
【００８５】
このようにして、屈折された入力画像は、平坦フレネルレンズ１５２０を介して、広視野角および同一の奥行き感を有する三次元画像１５３０ａ、１５３０ｂ、１５３０ｃを生成することができる。従って、観察者１５４０ａ、１５４０ｂ、１５４０ｃは、広視野角の範囲内で、広視野角および同一の奥行き感を有する三次元画像１５３０ａ、１５３０ｂ、１５３０ｃを観察することができる。このような構成は、異なる焦点距離、異なる屈折特性、または異なるレンズサイズを有するフレネルレンズを用いて、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像表示装置を提供する。
【００８６】
図１５（ｂ）を参照すると、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像表示装置１５２０は、画像源１５０７と、画像源１５０７に向かって溝がある第１平坦フレネルレンズ１５１３と、外側に投影される画像に向かって溝がある第２平坦フレネルレンズ１５１７と、湾曲フレネルレンズ１５２２とを備えてもよい。ここで、第１平坦フレネルレンズ１５１３、第２平坦フレネルレンズ１５１７、および湾曲フレネルレンズ１５２２は、同一の中央軸線上に配置される。
【００８７】
この組み合わせは、最外部において湾曲フレネルレンズ１５２２から三次元画像を拡張および屈折することによって、従来技術において２つの平坦フレネルレンズによって球面形状に形成される三次元画像を、より歪みの少ない三次元画像１５３２ａ、１５３２ｂ、１５３２ｃとして実現することができる。
【００８８】
ここに記載する画像源は、本発明の一実施形態による比率１６：９のワイドタイプの入力画像として用いることができ、ＣＲＴ、ＬＣＤ、ＰＤＰ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、プロジェクタ、レンズの有無にかかわらず三次元画像モニタ、などのディスプレイとして用いることができる。また、画像源は、実物体であり得る。また、例えば対話型の画像カメラ、ワイヤレスＲＦ型の各種センサなどの補助装置を追加することによって、三次元画像効果を最大化することができる。三次元画像効果を向上させるために、三次元画像音響システムを構成および製造することができ、スピーカを介して入力画像用の音声を提供することもできる。
【００８９】
本発明の一実施形態による三次元画像表示装置は、三次元テレビ、自動車用ナビゲータ、屋内用および屋外用の広告および展示場、イベントホール、テーマパーク、医用画像、ゲームなどに応用することができる。また、この装置は、様々な種類の無人端末および自動装置などの従来の装置に搭載することができる。更に、様々なセンサ技術の組み合わせによって、より対話型の三次元画像を提供することができる。
【００９０】
特定の実施形態を参照して本発明の趣旨を詳述したが、実施形態は、説明のみを目的とするものであって、本発明を限定するものではない。本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、当業者が実施形態を変更または修正することができる、ということが理解されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明の一実施形態によると、三次元画像表示装置は、三次元テレビ、自動車用ナビゲータ、屋内用および屋外用の広告および展示場、イベントホール、テーマパーク、医用画像、ゲームなどに応用することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置に関し、より具体的には、フレネルレンズを用いて広視野角を有する現実的画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、三次元画像表示とは、二次元映像に深さ情報を付加し、この深さ情報を用いることにより、三次元的な迫真性および現実性のある感覚を観察者が感じられるようにする技術を指す。三次元画像表示技術は、特に、教育、健康、軍隊、特殊目的分野など、様々な分野に応用される。そのような技術による様々な形態および方法は、従来技術における一般的な三次元画像表示装置のために、いくつかの種類が提案されている。従来、これらの技術のほとんどは、人間の両眼視差の原理を用いて三次元画像を表示している。左眼および右眼に提示される画像の間にはわずかなずれがあるので、左右の眼による視差認識が三次元の感覚を作り出し、その結果、突き出てくるような感覚が得られることがある。
【０００３】
従来技術の一般的な形態は、主に眼鏡を用いるか否かにかかわらず、左右の画像を切り離すことである。アナグリフタイプ、偏光眼鏡タイプ、および液晶シャッタタイプにおいては眼鏡が用いられるが、レンチキュラタイプ、パララックスバリアタイプ、および光学プレートタイプにおいては眼鏡が用いられない。
【０００４】
これらの従来技術の中で、偏光眼鏡タイプは、最も古く最も安定した三次元表示の様式であって、三次元映画および三次元モニタなどにおいて最も広く使われている。しかしながら、この方法の最大の欠点は、三次元画像用の特別な偏光眼鏡を用いる必要があるということである。従って、特別な偏光眼鏡を着用している間に眼精疲労が増加する。
【０００５】
従来技術において眼鏡を用いないタイプのうち、レンチキュラタイプおよびパララックスバリアタイプは、低輝度および低解像度の画像を提供し、固定した観察位置を観察者に強いるものであり、長時間にわたって観察すると頭痛またはめまいを生じる。
【０００６】
完全な三次元タイプ（ホログラフィックおよびヴォルメトリックの三次元表示タイプを含む）もある。これらのタイプは、空間内に自由に三次元画像を形成することができるが、たとえ静止画を表示するためであっても高価なレーザおよび精密光学部品を必要とし、リアルタイム三次元画像を提供することができない。
【０００７】
これらの問題を解決するために、メガネを用いないタイプが提案されており、リフレクタ、従来の光学レンズおよび凹面鏡などを利用することにより、より低いコストでリアルタイム三次元画像を可能にする。しかしながら、これらの方法のほとんどは、凹面鏡などによる画像の歪みや、大型装置を製造する際の高いコストに遭遇する。特に、大型ディスプレイの三次元画像を得るために大型装置を用いる場合には、非常に幅広い空間を形成する必要があり、これらのタイプの有用性および利用可能性を妨げることになる。
【０００８】
凹面鏡およびリフレクタを用いるこれらの方法に加えて、フレネルレンズを用いる方法は、長年にわたって様々なタイプが提案されている。２つのフレネルレンズを用いることによって三次元画像効果をもたらすことができるということ、および１つ以上のフレネルレンズおよびリフレクタなどを用いることによって三次元画像効果のある三次元画像を作り出すことができるということが開示されている。しかしながら、これらの技術の欠点は、オブジェクト内容を一度に表示するために、使用可能な部分に対する表示の比率が低いということである。大型ディスプレイの三次元画像を得るためには、大型ディスプレイ用の大型の透過型リフレクタおよび画像源を２つ以上形成する必要がある。従って、非常に大きな幅の空間を形成する場合には、高い製造コストが不可避となる。
【０００９】
特に、大型ディスプレイの三次元画像を作り出すために、２つのフレネルレンズを用いる液晶プロジェクタによって拡大され広視野角を有する三次元画像を得ることができる。ここで生成される三次元画像は、中心から１０乃至２０度の範囲内の視野角においては画像の歪みを有し得ないが、この範囲を越えた視野角においては画像の重大な歪みを有し得る。すなわち、この問題は、画面の中央においては等しい奥行き感を有する三次元画像が、臨界角の左右においては画面の裏側に向かって小さくなる、という画像の歪みが生じ得ることである。
【００１０】
従来技術によって三次元画像を実現する際の問題は、画面の中心から１０乃至２０度の部分を除いた残りの部分における画像の重大な歪みのために、三次元画像を完全には見ることができないことがある、ということである。また、大型ディスプレイのために三次元画像をレンダリングする様々な応用は、様々な問題によって制限され得るので、三次元画像の効率的なレンダリングは困難であり得る。３つのフレネルレンズを用いて三次元画像を作り出す技術もまた、中心を除いた残りの部分における画像の歪みのために、表示および応用が制限され得る。フレネルレンズおよびリフレクタを用いる技術は、２つのフレネルレンズを用いるものと同一の利点を有する。大型ディスプレイの三次元画像を得るためには、大型装置を用いる際に、三次元画像用のディスプレイのサイズに比例して、上下前後の側面において比較的に非常に大きな空間の幅が必要であり、三次元画像の投影距離はリフレクタによってより短くなるので、奥行き感が低減する。
【００１１】
図１を参照して、従来技術による２つの平坦フレネルレンズを用いて三次元画像を作り出す原理および問題点を下記に説明する。
【００１２】
図１は、従来技術に基づいて三次元画像をレンダリングする方法を説明するものである。平坦フレネルレンズは、一定の焦点距離ｆを有し、入力画像源が入射する第１フレネルレンズ１１５と、三次元画像を投影するための第２フレネルレンズ１２０とから成る。画像源供給部１１０の中心から第１フレネルレンズ１１５までの距離ｄ１と、第１フレネルレンズ１１５から第２フレネルレンズ１２０までおよび距離ｄ２とに対応する、入力画像源に対する拡大および縮小という形態にて異なる奥行き感を有する三次元画像を、第２フレネルレンズ１２０からｄ３だけ隔てられた位置において生成することができる。
【００１３】
図１に示すように、第１フレネルレンズ１１５と第２フレネルレンズ１２０とを組み合わせることによって、画像源供給部１１０からの一定の位置ｄ１に従って、位置ｄ３の上方の空中に三次元画像を生成することができ、観察者は、一定の領域θ１から三次元画像を観察することができる。ここで、第１フレネルレンズ１１５から第２フレネルレンズ１２０までの距離ｄ２は、画像の歪みまたは収差のない範囲を維持する。
【００１４】
２つのフレネルレンズ１１５および１２０は、第１フレネルレンズ１１５の焦点距離ｆ１と第２フレネルレンズ１２０の焦点距離ｆ２とを有し、２つのフレネルレンズ１１５および１２０は、一定の距離の範囲内で一列に配置されるときに、焦点距離ｆ３ １２７を形成することができる。ここで、ｆ３は、２つのフレネルレンズによって形成される焦点距離である。ここで、２つのフレネルレンズ１１５および１２０を用いて二次元の画像源を投影する場合には、画像が形成される出力画像焦点面１２５を、２つのフレネルレンズ１１５および１２０の焦点距離１２７から内側に向けて球面形状に形成することができる。一方、観察者の視点から観察すると、人間の眼によって認識される三次元画像の出力部分は、一定の口径を有して焦点距離１２７（２つのフレネルレンズ１１５および１２０を配置することによって形成される）を通過する視野角θ１の範囲内にあり得る。この範囲内で、観察者は、出力画像焦点面１２５上に形成されたものと同一の画像を認識することができる。ここで、生成された三次元画像は、あたかも空中に浮いているようである。その原理を、以下に更に詳細に説明する。図１の画像源供給部１１０から投影される二次元画像は、第１フレネルレンズ１１５に向かって投影され得る。第１フレネルレンズ１１５および第２フレネルレンズ１２０は、組み合わさって単レンズのように作用する。出力画像焦点面１２５は、２つのフレネルレンズ１１５および１２０の焦点距離１２７の範囲内に位置する。図１を参照して、画像源供給部１１０および第１フレネルレンズ１１５から投影される画面上の画像が一定の距離ｄ１を維持する場合のみに、所望の三次元画像が出力画像焦点面１２５上に得られる。また、二重フレネルレンズの構造によって形成される三次元画像は、第１フレネルレンズ１１５および第２フレネルレンズ１２０の溝の方向の配置の仕方によって異なる形態を有する出力画像焦点面１２５を形成することができる。なぜなら、光線は、フレネルレンズの溝平面からの入射角の差によって異なる屈折角で屈折するからである。問題は、球面形状に形成される出力画像焦点面１２５が、第２フレネルレンズ１２０の全体の表示領域に対して中心部の約１／４のみにしか形成されず、出力画像焦点面１２５の中心からエッジに向かって三次元画像が小さくなるに従って画像の歪みが生じる、ということである。フレネルレンズ１１５および１２０の溝が互いに対向する場合に形成される球形の出力画像焦点面１２５は、円形の境界平面２２５（図２）を有する三次元画像源の画面２１０（図２）上に形成することができる。従って、画面２１０（図２）の全体サイズと比較すると、生成される三次元画像の表示領域は、中心における円形境界平面２２５の範囲内にレンダリングすることができ、三次元画像に対する背景としての画面２１０の全体サイズと比較すると、表示領域はより小さい部分のみになり得るので、三次元画像を作り出す際の奥行き感が全体的に低減され得る。さらに、画面の左右の遠くから観察すると、三次元画像の球面のために画像の歪みが生じる。
【００１５】
図２は、従来技術による三次元画像源および視野角の形状を説明するものである。
【００１６】
図２を参照すると、平坦フレネルレンズを用いて三次元画像を作り出す際に、球体形状の境界面２２５を画面上に形成することができる。ここで、観察者は、球形の境界面２２５においてしか三次元画像を観察することができない。
【００１７】
図２において、観察者２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃのうち、中央部における観察者２４０ａは、三次元画像２３０ａが一定の深さの程度を有するように感じることができる。しかしながら、観察者２４０ｂおよび２４０ｃが見る画像２３０ｂおよび２３０ｃは、歪んでおり、観察者２４０ａが見る画像２３０ａよりも小さく見え、画像２３０ｂおよび２３０ｃは、奥行き感の低減によって画面２１０の中へと湾曲しているように見える。従って、三次元画像は、観察者の位置によって歪められ得る。また、狭い視野角のために、画像は、同時に多数の観察者によって観察することができず、一定部分の範囲内のみにおいて見ることができる。
【００１８】
図２に示すように、観察者２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃの位置によって、三次元画像の三次元効果は多様であり得る。中心部からすると、左右の画像表示領域（すなわち視野角）が非常に狭くなり得るので、三次元画像をレンダリングする際には、画面２１０全体の中心部しか利用できない。従って、従来技術における三次元画像の視野角および表示領域の制限のために、この方法は、様々な分野には適用し得ない。このようにして、従来技術による球形に形成される出力画像焦点面１２５は、狭い視野角を有し、球形にレンダリングされる入力画像源の二次元の平面画像によると、画像源の中心からエッジに向かって画像の歪みが強まる。従来技術の方法を実施する場合には、三次元画像をレンダリングする際に、全体画面領域に対して中心部の１／４に使用が限定されるので、画像の表示が限定され得るし、三次元画像がレンダリングされる境界平面において画像の歪みが強まるので、これらの方法を用いる場合には、狭い視野角が不可避である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、三次元画像の表示領域を最大化することができ、左右の境界面上の画像に歪みがなく広視野角を有する三次元画像を実現することのできる、広視野角を有する三次元画像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の一態様によると、第１フレネルレンズおよび第２フレネルレンズの二重結合構造を用いて広視野角を有する三次元画像表示装置が開示される。
【００２１】
本発明の一実施形態によると、第１フレネルレンズおよび第２フレネルレンズのうちの少なくとも１つが湾曲フレネルレンズである、広視野角を有する三次元画像表示装置が開示される。三次元画像表示装置は、画像を供給するための画像源と、画像源からの画像を屈折および透過させるための第１フレネルレンズと、第１フレネルレンズを通して透過される画像を屈折および透過させることによって三次元画像を生成するための第２フレネルレンズとを備える。
【００２２】
第１フレネルレンズは、湾曲フレネルレンズであり得て、第２フレネルレンズは、平坦フレネルレンズであり得る。
【００２３】
ここで、第１フレネルレンズの焦点距離は、第２フレネルレンズの焦点距離以上であり得る。
【００２４】
ここで、第１フレネルレンズの焦点距離は、第２フレネルレンズの焦点距離より短くあり得る。
【００２５】
本発明の一実施形態によると、第１フレネルレンズおよび第３フレネルレンズが、反対方向を向く平坦フレネルレンズであり、第１フレネルレンズの溝が、画像源に対向する方向に形成されるように構成され、第３フレネルレンズの溝が、第２フレネルレンズに対向する方向に形成されるように構成され、第２フレネルレンズが、平坦フレネルレンズである、広視野角を有する三次元画像表示装置が開示される。三次元画像表示装置は、第１フレネルレンズを通して透過される画像を屈折および透過させるために、第１フレネルレンズと第２フレネルレンズとの間に配置された第３フレネルレンズを更に備えてもよい。
【００２６】
ここで、本発明の一実施形態によると、第１フレネルレンズおよび第３フレネルレンズが、平坦フレネルレンズであるように構成され、第１フレネルレンズの溝および第３フレネルレンズの溝が、互いに対向する方向または反対方向に形成されるように構成され、第２フレネルレンズが、湾曲フレネルレンズであるように構成される、広視野角を有する三次元画像表示装置は、第１フレネルレンズと第２フレネルレンズとの間に配置され、かつ第１フレネルレンズを通して透過する画像を屈折および透過させるように構成される、第３フレネルレンズを更に備えてもよい。
【００２７】
アンチグレア、ＡＲ偏光フィルムおよび表面反射防止マスクのうちのいずれか１つが、第１フレネルレンズまたは第２フレネルレンズの表面にわたってコーティングされる。
【００２８】
画像源は、主画像を供給するように構成される主画像源と、主画像の背景としての背景画像を供給するように構成される背景画像源とを備えてもよい。
【００２９】
画像源は、画像源を反射して画像源を透過させるように構成された半透明ミラーを備えてもよい。
【００３０】
画像源は、ＣＲＴ、ＬＣＤ、ＰＤＰ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、ＤＬＰプロジェクタおよびフレキシブルディスプレイのうちのディスプレイまたは実物体であってもよい。
【００３１】
本発明の別の実施形態によると、広視野角を有する三次元画像表示装置は、画像を供給するように構成された画像源と、湾曲型フレネルレンズ表面を有するように構成されたフレネルレンズとを備えてもよく、湾曲型フレネルレンズ表面は、入射光線を反射および透過させ、平坦型フレネルレンズ表面は、両面にそれぞれ形成される湾曲型フレネルレンズ表面よりも短い焦点距離を有する。
【００３２】
アンチグレア、ＡＲ偏光フィルムおよび表面反射防止マスクのうちのいずれか１つが、平坦型フレネルレンズ表面にわたってコーティングされる。
【００３３】
本発明の別の態様によると、両面に溝が形成されたフレネルレンズが開示される。
【００３４】
本発明の一実施形態によると、両面に溝が形成されたフレネルレンズは、入射光線を反射および透過させるように構成された湾曲型フレネルレンズ表面と、湾曲型フレネルレンズ表面を通して透過される入射光線を反射および透過させ、かつ湾曲型フレネルレンズ表面よりも小さい焦点距離を有するように構成された平坦型フレネルレンズ表面とを備えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来技術による三次元画像装置を説明する断面図である。
【図２】従来技術による三次元画像源および視野角の形状を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。
【図４】図３の装置によって実現される、画像と、観察者の位置から見ることのできる三次元画像を示す形状とを説明する図である。
【図５】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置が備える平坦フレネルレンズおよび湾曲フレネルレンズの屈折度を表す図である。
【図６】本発明の一実施形態による湾曲フレネルレンズおよび湾曲を形成する方法を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。
【図８】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。
【図９】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。
【図１０】図７に図示するような本発明による広視野角を有する三次元画像装置を実現する実施形態を説明する斜視図である。
【図１１】図８に図示するような本発明による広視野角を有する三次元画像装置を実現する実施形態を説明する斜視図である。
【図１２】図９に図示するような本発明による広視野角を有する三次元画像装置を実現する実施形態を説明する斜視図である。
【図１３】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置において用いるフレネルレンズを説明する断面図である。
【図１４】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。
【図１５】本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明は、様々な変更および数多くの実施形態が可能であるが、特定の実施形態を図面に図示して明細書に詳述する。しかしながら、このことは本発明を特定の実施形態に限定することを意図するものではなく、本発明の趣旨および技術的な範囲から逸脱しないあらゆる変更、等価物および代替物が本発明に含まれる、ということを理解すべきである。「第１」および「第２」などの用語は、様々な要素を説明する際に用いることがあるが、上記の要素は、上記の用語に限定されないものとする。上記の用語は、１つの要素を他の要素と区別するためにのみ用いる。例えば、本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく、第１要素を第２要素と呼ぶことが可能であり、その逆も可能である。「および／または」という用語は、複数の列挙項目の組み合わせ、または複数の列挙項目のいずれかを含むものとする。ある構成要素が他の構成要素に「接続される」または「アクセスする」と記載する場合には、他の構成要素の上に直接的に形成されるかまたは積み重ねられることを意味し得るが、その中間に他の構成要素が存在してもよい、ということを理解すべきである。一方、ある構成要素が他の構成要素に「直接的に接続される」または「直接的にアクセスする」と記載する場合には、その中間に他の構成要素が存在しない、ということを理解すべきである。
【００３７】
本明細書において用いる用語は、特定の実施形態を説明するためにのみ用いるものであって、本発明を限定することを意図しない。文脈において明らかに異なる意味を有する場合を除いて、単数形にて用いる表現は複数の表現をも含む。本明細書において、「含む」または「有する」などの用語は、本明細書にて開示する特徴、数、工程、動作、構成要素、部分、またはそれらの組み合わせの存在を示すことを意図するものであって、１つ以上の他の特徴、数、工程、動作、構成要素、部分、またはそれらの組み合わせが存在し得るかまたは追加され得る可能性を排除することを意図するものではない、ということを理解すべきである。
【００３８】
特に定義されない限り、本明細書において用いるすべての用語（専門用語および科学用語を含む）は、本発明が関連する技術分野における当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。一般的な辞書において定義される任意の用語は、関連技術の文脈におけるものと同じ意味を有すると解釈されるものとし、特に明示的に定義されない限り、観念論的または極端に形式主義的な意味を有するようには解釈されないものとする。
【００３９】
本発明の一定の実施形態を、添付図面を参照しながら以下に詳細に説明する。本発明の態様の説明にあたり、より良好な全体的理解のために、図の番号とは関係なく、同一の手段には同一の参照番号を用いる。同一のまたは対応する構成要素には、図の番号とは関係なく同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４０】
図３は、本発明の実施形態による広視野角を有する現実的画像装置を説明する断面図である。
【００４１】
本発明の実施形態による三次元画像表示装置は、画像源を供給する画像源供給部３１０と、視野角を拡張し、画像源供給部３１０から投影される画像源から歪みのない三次元画像を形成する、湾曲フレネルレンズ３１５と、湾曲フレネルレンズ３１５から屈折および拡張した画像を屈折および集光することにより焦点面において三次元画像を形成する平坦フレネルレンズ３２０とを含み得る。
【００４２】
画像源３１０は、例えば、ＣＲＴ、ＬＣＤ、ＰＤＰ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、ＤＬＰプロジェクタおよびフレキシブルディスプレイなどのディスプレイであり得る。本発明の他の実施形態において、画像源３１０は、実物体であってもよい。すなわち、本発明の本実施形態において開示するフレネルレンズを用いて三次元画像を生成する場合、ディスプレイまたは実物体が画像源３１０であり得る。
【００４３】
ここで、湾曲フレネルレンズは、一定パターンの湾曲を有し得る。湾曲フレネルレンズは、平坦フレネルレンズに対して、曲率半径Ｒを有するように均等な力を加えることによって形成することができる。そのような方法を用いることにより、より低いコストによる大量生産が可能であり、湾曲フレネルレンズの特性を有する平坦フレネルレンズという特殊形状の製造を実現することができる。
【００４４】
上記に加えて、湾曲フレネルレンズ３１５または平坦型フレネルレンズ３２０の表面にわたってコーティングされたアンチグレア、ＡＲ偏光フィルムおよび表面反射防止マスクは、内部光反射および屈折時の光分散などを低減することができる。これらの物質の構造および組み合わせは、本発明が属する技術分野の当業者よって一般に理解されるものであるので、従来技術の一定の詳細説明は省略する。上記の物質を、以下に説明するレンズの表面にわたって積み重ねることもできる。
【００４５】
レンズ部分は、湾曲フレネルレンズ３１５と平坦フレネルレンズ３２０とを備える。ｆＦが平坦フレネルレンズの焦点距離であり、ｆＣが湾曲フレネルレンズの焦点距離であるとき、レンズ部分の焦点距離は、平坦フレネルレンズの焦点距離ｆＦおよび湾曲フレネルレンズの焦点距離ｆＣの合計に等しくなり得る。湾曲フレネルレンズ３１５には、画像源からの入力画像が入射し、平坦フレネルレンズ３２０は、入力画像を投影する。入力画像から湾曲フレネルレンズまでの距離Ｄ１と、湾曲フレネルレンズから平坦フレネルレンズまでの距離Ｄ２とに対応して、三次元画像の広視野角を形成し、像の歪みのより少ない大型ディスプレイの三次元画像を形成することができる。このことを、下記に更に詳細に説明する。フレネルレンズは、薄く平坦なフレネルレンズであり、標準的な凹レンズまたは凸レンズと同一の光学特性を有するように、表面上に一定パターンの湾曲を提供することによって形成され、フレネルレンズは、単一のＦナンバを有する。フレネルレンズには、２つの形状がある。すなわち、平行入射光を屈折させてフレネルレンズの焦点に収束させるコレクタとして機能するか、または入射光を反対方向に屈折させて平行経路を有するようにするコリメータとして機能する、凸レリーフのあるフレネルレンズ、および平行入射光を分散する発散レンズとして機能する凹レリーフのあるフレネルレンズである。平坦フレネルレンズは、主に、プロジェクションテレビおよびオーバーヘッドプロジェクタにおいて用いられる。そのような種類のフレネルレンズは、凸レリーフのあるフレネルレンズに代替してもよく、フレネルレンズの溝の方向に関する配置によっては、凹レリーフのあるフレネルレンズに代替してもよい。
【００４６】
図３を参照すると、平坦フレネルレンズ３２０および湾曲フレネルレンズ３１５は、二重フレネルレンズを形成する。
【００４７】
平坦フレネルレンズ３２０および湾曲フレネルレンズ３１５は、いずれも同一の中心軸に配置される。二重フレネルレンズ構造のフレネルレンズのうち、湾曲フレネルレンズ３１５の焦点距離ｆＣは、平坦フレネルレンズ３２０の焦点距離ｆＦよりも大きくなり得る（すなわちｆＣ≧ｆＦ）。湾曲フレネルレンズ３１５は、湾曲を有しており、変形時には中心および端部においてそれぞれ異なる距離Ａおよび距離Ｂが生じるので、同一の奥行き感を有する三次元画像を確立するために、長い焦点距離を有する平坦フレネルレンズを用いて湾曲フレネルレンズ３１５を形成することができる。ここで、湾曲フレネルレンズ３１５の焦点距離は、平坦フレネルレンズ３２０の焦点距離と比較して、より大きいか、より小さいか、または同じであり得る。すなわち、湾曲フレネルレンズ３１５の焦点距離は、平坦フレネルレンズ３２０から出力画像焦点面３２５までの距離Ｄ３を決定して三次元画像の感覚を増加させることができる。
【００４８】
従って、広視野角を形成することができ、平坦フレネルレンズ３２０以上の焦点距離を有する湾曲フレネルレンズ３１５によって三次元画像の表示領域を拡大することができる。それに加えて、平坦フレネルレンズ３２０および湾曲フレネルレンズ３１５を組み合わせた二重フレネルレンズを配置する場合には、画像源３１０と湾曲フレネルレンズ３１５との間の距離Ｄ１、または湾曲フレネルレンズ３１５と平坦フレネルレンズ３２０との間の距離Ｄ２を制御すること、および望ましい三次元画像のサイズおよび奥行き感を制御することにより、有効な三次元画像をレンダリングすることができる。すなわち、二重フレネルレンズの焦点距離をＦとすると、画像源３１０と湾曲フレネルレンズ３１５との間の距離Ｄ１が２Ｆ＜Ｄ１＜１Ｆを満たす場合に、入力画像よりも大きな三次元画像を形成することができる。Ｄ１＝２Ｆである場合には、入力画像と同一のサイズを有する三次元画像を形成することができ、Ｄ１＞２Ｆである場合には、入力画像よりも小さい三次元画像を形成することができる。図３に説明する距離Ａおよび距離Ｂは、湾曲フレネルレンズ３１５と平坦フレネルレンズ３２０との間をそれぞれ中心部と端部とにおいて測定したものである。中央の観察者の視点から観察される三次元画像のサイズおよび空間位置は、三次元画像の生成距離である距離Ｄ３によって決定することができる。ここで、画像源３１０から湾曲フレネルレンズ３１５までの距離Ｄ１と、湾曲フレネルレンズ３１５から平坦フレネルレンズ３２０までの距離Ｄ２（図３に図示するようにその中心における距離はＡ）とを、その光軸に沿って合計することによって、Ｄ３が形成される。
【００４９】
一方、観察者の観察位置が現在の中心位置から移動すると、一定の曲率半径Ｒを有する湾曲フレネルレンズ３１５に従って、画像源３１０と湾曲フレネルレンズ３１５との間の距離は小さくなり得る。一方、湾曲フレネルレンズ３１５と平坦フレネルレンズ３２０との間の距離は増加してもよく、画像源から入射する入力画像は、湾曲フレネルレンズ３１５を通って拡大および屈折されてから、平坦フレネルレンズ３２０へと投影されることができる。
【００５０】
従って、湾曲フレネルレンズ３１５によって、左右の境界における歪みなしに、三次元画像の視野角をより広く拡大することができる。すなわち、入力画像は、２つのレンズ間の距離を増加させつつ湾曲フレネルレンズ３１５によって拡大および屈折され、次に平坦フレネルレンズ３２０へと投影される。図４に図示するように、そのような方法によって、中心からの入力画像によって生成される三次元画像のサイズおよび奥行き感は、視野角θ２の範囲内において、境界平面上のものと等しくすることができるので、境界平面上における歪みのない三次元画像を呈示することができる。
【００５１】
一定の曲率半径Ｒを有する湾曲フレネルレンズ３１５において、左右の境界平面上の入射境界面の溝の角度は、湾曲した表面構造によって減少できるので、平坦フレネルレンズ３２０に向かう光は、より小さい屈折角を有して投影されることができる。その結果、湾曲フレネルレンズ３１５を用いて湾曲面形状を形成することによって、中心ではなく左右の境界平面における入射境界面の角度の変化により、屈折の範囲を拡張することができるので、より大きな範囲の入力画像に対して表示領域を形成することができる。
【００５２】
入力画像は、屈折および透過によって、湾曲フレネルレンズ３１５および平坦フレネルレンズ３２０の二重構造の一定の焦点距離の範囲内で、出力画像焦点面３２５に表示することができる。表示される三次元画像は、９０乃至１００度の範囲から歪みなしに観察することができ、左右の一番上の角度において同一の奥行き感を有することができる。従って、本発明の本実施形態によると、大型ディスプレイのための広視野角を有する三次元画像を形成することができる。
【００５３】
本発明の本実施形態によると、従来技術と比較して、表示領域および広視野角がより広く、像の歪みのない、三次元画像を形成することができる。
【００５４】
この場合、フレネルレンズの中心間の距離差Ａは、三次元画像を確立する際に三次元画像の歪みおよび色収差のない範囲内で一定にすることができ、フレネルレンズの境界端部間の距離差Ｂは、湾曲フレネルレンズの曲率半径Ｒによって形成することができる。上記に加えて、現実的画像表示装置は、表示部分の境界面における三次元画像の歪みを補償することができ、湾曲フレネルレンズ３１５および平坦フレネルレンズ３２０の二重結合構造によって従来技術において制約的に用いられている三次元画像レンダリング用の画面領域全体を拡張することができる。なぜなら、画像のＲ、Ｇ、Ｂの色は、湾曲フレネルレンズに入ることによって、画像の色が形成される三次元画像上の色同士の投影距離の差を低減することができるからであり、従来の半球型の三次元画像ではなく平坦型の三次元画像を形成することによって、コマが低減されるからである。
【００５５】
また、湾曲フレネルレンズ３１５および平坦フレネルレンズ３２０の二重結合構造は、従来技術における複合的平坦フレネルレンズの二重結合構造において生じる、コマの境界面における像の色収差および歪みを低減または除去することができる。従来技術によると、フレネル型を用いる場合には、異なる光の波長を有するＲ、Ｇ、Ｂの色として三次元画像を見る際に、色の縞として見えるレンズの色収差が生じることがある。なぜなら、フレネルレンズの異なる屈折率によって、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色は、焦点面において単一の共通点に焦点を合わせることができないからである。また、光軸に沿って斜めに光線が投影されると、コマ（一定の光学設計に固有の収差、または軸外点光源をもたらすレンズの欠陥による収差を指す）が生じることがある。しかしながら、湾曲フレネルレンズ３１５および平坦フレネルレンズ３２０の二重フレネルレンズを用いると、色収差およびコマを最小限に抑えることができる。
【００５６】
図４は、図３の装置によって実現される、画像と、観察者の位置から見ることのできる三次元画像を示す形状とを説明する図である。湾曲フレネルレンズ３１５および平坦フレネルレンズ３２０を構成することによって、三次元画像装置の画面４１０において三次元画像を観察する部分は、４３０ａ、４３０ｂ、４３０ｃとなり得る。部分４３０ａ、４３０ｂ、４３０ｃにおいて、歪みのない広い三次元画像をレンダリングすることができる。
【００５７】
湾曲フレネルレンズ３１５によって、入力画像４３０を湾曲面に対して拡張および屈折させることができる。拡張および屈折された画像は、平坦フレネルレンズ３２０によって一定の焦点距離３２７において再び屈折させることができる。従来技術における２つの平坦フレネルレンズによって、観察者４４０ａが観察する三次元画像を形成することができる。また、観察者４４０ｂ、４４０ｃによって観察される三次元画像は、より大きな屈折度によって拡張され、湾曲フレネルレンズによってより広い部分に透過され得る。三次元画像は、平坦フレネルレンズ３２０に対して再び投影され得るので、観察者は、より広範囲の視野角θ２において三次元画像を観察することができる。また、湾曲フレネルレンズ３１５と平坦フレネルレンズ３２０との間の間隔は、中心部と端部とで異なり得る。すなわち、湾曲フレネルレンズと平坦フレネルレンズとの間の間隔Ｂを間隔Ａよりも大きくすることによって、三次元画像４２０を拡張することができる。
【００５８】
従って、観察者４４０ｂ、４４０ｃによって観察される三次元画像４３０ｂ、４３０ｃは、観察者４４０ａによって観察される、奥行き感があって歪みのない三次元画像４３０ａと同一であり得る。従来技術における円形の表示領域２２５と比較すると、本発明は、大型ディスプレイ用の長方形の表示領域４４５を提供するので、まったく処理をしない二次元画像が、奥行き感を有し得る。ここで、湾曲フレネルレンズ３１５は、平坦フレネルレンズに対して、曲率半径Ｒを有するように力を加えることによって形成できるので、より低いコストでの大量生産が可能である。本発明の本実施形態によると、本発明は、二次元画像源または実物体を用いて空中に歪みのない大きな平面画像として二次元画像源を拡張する従来技術の三次元画像表示装置、および空中の一定の距離に歪みのない画像を投影する装置に応用することができる。特に、レンズを用いない三次元画像効果による三次元画像表示装置において、空中の一定の距離に二次元の画像を投影することによって奥行き感を有する空間透過効果を提供することができる。より具体的には、臨界角の左右において歪みのない等しい奥行き感を有する三次元画像を見るために、レンズのない三次元画像表示装置が提供され、従来技術の問題を克服するために、湾曲フレネルレンズおよび平坦フレネルレンズを一列に配置した二重フレネルレンズ構造を用いることによって、三次元画像を、より幅広い視野角から観察することができ、より広い表示部分においてレンダリングすることができる。
【００５９】
図５は、平坦フレネルレンズ５１０および湾曲フレネルレンズ５２０の屈折度を表す図である。平坦フレネルレンズ５１０の表面は、非球面レンズのための以下の方程式（１）によって得ることができる。
【００６０】
【数１】
【００６１】
ここで、Ｚは、非球面レンズの表面であり、Ｃは、レンズの頂点湾曲であり、ｋは、円錐定数である。ｋ＝０の場合は円形であり、ｋ＜−１の場合は双曲的であり、−１＜ｋ＜０の場合は扁円の楕円であり、ｋ＞０の場合は長楕円である。それに加えて、α、β、γ、δは、レンズの非球面特性を決定するための非球面数値である。平坦フレネルレンズ５１０の場合には、図５に図示するように、入力画像に対応する光源のうち、ある一点を通って透過する単一の光線（実線）は、平坦フレネルレンズ５１０上に形成される溝の境界面を通過し得る。ここで、入射光の光線は、溝表面に向かう垂直線（点線）に沿ってαの角度で入射し、次にある角度でレンズ５１０を透過する。湾曲フレネルレンズ５２０の場合には、レンズ５２０は溝とは異なる入射角を有するので、同一の入射光の光線が、一定の数値の湾曲を有する湾曲フレネルレンズ５２０の溝に入射するときに、光線はα’の角度で溝の表面に入射する。従って、α’はαよりも小さく、光線はある角度でレンズ５２０を透過する。すなわち、そのように、平坦フレネルレンズと比較して湾曲を有する湾曲フレネルレンズの部分において、同一の点を透過する単一の光線は、より小さな角度で屈折することができる。従って、湾曲フレネルレンズを透過する画像源は、より広い部分において拡大および屈折させることができるので、大型ディスプレイのための広い視野角および表示部分を提供することができる。
【００６２】
図６は、本発明の一実施形態による湾曲フレネルレンズ６２０と湾曲とを形成する方法を示す図である。湾曲フレネルレンズ６２０を製造する方法によると、曲率半径Ｒを有する湾曲フレネルレンズは、平坦フレネルレンズ６１０に対して均等な力を加えることによって形成することができる。ここで、フレネルレンズの湾曲６３０をｒとしてレンダリングし、定数を有するｒがオプションとして１〜４として表される場合に、定曲率を有する湾曲フレネルレンズ６２０を形成することができる。本発明において用いられる湾曲フレネルレンズは、湾曲の差によって屈折および透過において異なる特性を有し得る。
【００６３】
ここでは通常の平坦フレネルレンズ６１０から湾曲フレネルレンズ６２０を製造する方法を説明するが、湾曲フレネルレンズ６２０は、通常の平坦フレネルレンズから製造せずに、通常の湾曲フレネルレンズから直接的に形成することができる。
【００６４】
図７は、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。以下に、相違点のみを説明する。
【００６５】
観察者７４０ａに対する中央軸線７０５を有する画像源供給部分７１０と、広視野角の深みを入力画像に提供する湾曲フレネルレンズ７１５と、湾曲フレネルレンズ７１５を通過した画像を三次元画像にする平坦フレネルレンズ７２０とを図示する。ここで、湾曲フレネルレンズ７１５を構成するために用いられる１つのフレネルレンズの焦点距離ｆ２は、平坦フレネルレンズ７２０の焦点距離ｆ１以上であり得る。湾曲フレネルレンズ７１５の溝の表面が画像源７１０に対向し、平坦フレネルレンズ７２０の溝の表面が観察者に対向し得るように、２つのレンズが配置される。この配置は、左右の境界上の入力画像を拡大するとともに、より広い角度で入力画像を拡大および屈折するためのものである。入力画像を画像歪のない三次元画像として生成するために、追加的に１つ以上のフレネルレンズを配置することも可能であり、構造のタイプがそれを可能にする。平坦フレネルレンズ７２０および湾曲フレネルレンズ７１５が、その中心軸に配置される。
【００６６】
従って、観察者７４０ａ、７４０ｂ、７４０ｃは、レンズの構成によって、９０乃至１００度よりも大きな広視野角から等しい奥行き感を有する三次元画像７３０ａ、７３０ｂ、７３０ｃを観察することができる。
【００６７】
図８は、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。以下に、相違点のみを説明する。
【００６８】
図８（ａ）を参照して、二重フレネルレンズ構造を形成する２つの湾曲フレネルレンズ８１５、８２０を説明する。２つの湾曲フレネルレンズ８１５、８２０の溝は、それぞれ反対方向に配置される。第１湾曲フレネルレンズ８１５は、平坦フレネルレンズよりも広い方向に入力画像を屈折させることができる。第２湾曲フレネルレンズ８２０は、平坦フレネルレンズよりも狭い方向に入力画像を屈折させることができるので、視野角を低減させることができる。本発明の実施形態によって生成される三次元画像８３０ａ、８３０ｂ、８３０ｃは、左右の臨界角において歪みを有しない。図８（ａ）を参照すると、レンズの構成によって、観察者８４０ａ、８４０ｂ、８４０ｃは、２０乃至３０度の視野角の範囲内において等しい奥行き感を有する三次元画像を観察することができる。なぜなら、光線は第２レンズの湾曲面を通って中心部に集まるからである。複合的な湾曲フレネルレンズ８１５、８２０を、同一の中央軸線に配置することができる。
【００６９】
図８（ａ）を参照すると、湾曲フレネルレンズ８１７、８２２の溝の方向は、同じ方向に配置することができる。複合的な湾曲フレネルレンズ８１７、８２２は、同一の中央軸線に配置することができる。生成される三次元画像８３２ａ、８３２ｂ、８３２ｃは、左右の臨界角において歪みを有してもよく、歪みの効果は、湾曲フレネルレンズとしての役割を果たしてもよいので、２０乃至３０度の狭い視野角を形成することができる。従って、観察者８４２ａ、８４２ｂ、８４２ｃは、２０乃至３０度の狭い視野角の範囲内で等しい奥行き感を有する三次元画像８３２ａ、８３２ｂ、８３２ｃを観察することができる。図９は、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。以下に、相違点のみを説明する。
【００７０】
図９（ａ）を参照すると、画像源９１０と、画像源を透過させる平坦フレネルレンズ９１５と、透過画像用の広視野角および奥行き感を有する湾曲フレネルレンズ９２０とが提供される。
【００７１】
このような場合は、たとえレンズが広視野角を有していても、左右の外角において画像の歪みが生じ得る。この構成において、平坦フレネルレンズ９１５は、入力画像を屈折および収束させるためにあり、湾曲フレネルレンズ９２０は、入力画像を拡大および再屈折させるためにある。しかしながら、平坦フレネルレンズ９１５において入力画像の屈折が頻繁に生じ、湾曲フレネルレンズ９２０は、屈折された画像を左右に拡大するためにあるので、境界面にわたって形成される三次元画像９３０ｂ、９３０ｃは、上部と底部との間の一部が拡大されて表示される。
【００７２】
図９（ｂ）を参照すると、湾曲フレネルレンズ９１７の溝は、平坦フレネルレンズ９２２の方向にある。このような構成は、広視野角を有し得るが、左右の臨界角における三次元画像がより小さくなり得る。図９（ｃ）を参照すると、湾曲フレネルレンズ９１９の溝の方向は、画像源９１４の方へ配置され、平坦フレネルレンズ９２４の方向は、観察者９４４ａ、９４４ｂ、９４４ｃの方へ配置される。このような構成は、左右の臨界角における歪みなしに広視野角を有し得るが、この構成はまた、中心において円形バブルが形成されるので、大型ディスプレイの三次元画像を得るにあたって障害を有し得る。
【００７３】
図８および図９に示されるような本発明の本実施形態による三次元画像表示装置は、たとえ装置が一部分において狭い視野角を形成しても、適切な部分または限定された空間において三次元画像をレンダリングすることができる。
【００７４】
図１０は、図７に図示するような本発明による広視野角を有する三次元画像装置を実現する実施形態を説明する斜視図である。図１０を参照して、入力画像を提供するための画像処理装置を含む画像源１０１０と、中心および左右の臨界角において広視野角および等しい奥行き感を有すると大型ディスプレイの三次元画像１０３０を提供する湾曲フレネルレンズ１０１５と、三次元画像１０３０を生成する平坦フレネルレンズ１０２０とを説明する。画像源１０１０から湾曲フレネルレンズ１０１５までの距離は、三次元画像１０３０のサイズおよび奥行き感によって変更することができる。また、湾曲フレネルレンズ１０１５から平坦フレネルレンズ１０２０までの距離は、三次元画像１０３０のサイズ収差および色収差を有しない距離であり得る。
【００７５】
実際に実施する実施形態の説明として、フレネルレンズは、Ｍ９７００およびＭ９５５０（株式会社３Ｍの商品名）のそれぞれから成った。Ｍ９７００は、３５０ミリメートルの焦点距離を有し、Ｍ９５５０は、３７０ミリメートルの焦点距離を有する。同様に、２つのフレネルレンズは、異なる焦点距離を有し、より長いほうの焦点距離を有するフレネルレンズは、入力画像に対向して配置することができ、湾曲した種類の一定の湾曲を形成することができる。また、湾曲フレネルレンズ１０１５と平坦フレネルレンズ１０２０とを備える二重フレネルレンズの焦点距離は、約１８５ミリメートルである。ここで、曲率半径は、約１２０ミリメートルである。入力画像から湾曲フレネルレンズ１０２０までの距離は、約３０センチメートルであり、湾曲フレネルレンズ１０１５と平坦フレネルレンズ１０２０との間の距離は、１乃至２センチメートルに維持しなければならない。ここで、二次元の画像は、平坦フレネルレンズ１０２０から観察者に向かって約３０乃至４０センチメートルの距離の空中に形成される三次元画像へと変換することができる。ここで、観察者は、９０乃至１００度の広視野角ならびに臨界角からも、歪みなしに三次元画像を観察することができる。また、より広い視野角を形成するための比率１６：９のワイドタイプのフレネルレンズを用いることにより、９０度を超える広視野角を提供することができる。
【００７６】
図１１は、図８に図示するような本発明による広視野角を有する三次元画像装置を実現する実施形態を説明する斜視図である。以下に、相違点のみを説明する。
【００７７】
図１１を参照して、画像を提供するための制御装置１１０２と、スピーカ部１１０５と、三次元画像を提供するための第１画像源１１０４と、背景画像１１２５を提供するための第２画像源１１０６と、第１画像源１１０４によって三次元画像を生成すると同時に第２画像源１１０６によって背景画像１１２５を生成して両画像源から光を除去する５０：５０の比率の透過率を有するハーフミラー１１０８と、中心ならびに臨界角および広視野角において同一の奥行き感を有する大型ディスプレイの三次元画像を提供するための湾曲フレネルレンズ１１１５と、三次元画像１１３０を生成するための平坦フレネルレンズ１１２０とが提供される。第１画像源１１０４から生成される第１入力画像は、ハーフミラー１１０８によって反射されて、湾曲フレネルレンズ１１１５に向かって投影される。一方、ハーフミラー１１０８の背後に配置される第２画像源１１０６から生成される第２入力画像は、ハーフミラー１１０８を介して、湾曲フレネルレンズ１１１５に向かって投影される。
【００７８】
ここで、湾曲フレネルレンズ１１１５から第１画像源１１０４までの距離は、湾曲フレネルレンズ１１１５から第２画像源１１０６までの距離よりも長い。背景画像１１２５および三次元画像１１３０は、各画像源と湾曲フレネルレンズ１１１５との間の距離、すなわち各画像源がある場所と湾曲フレネルレンズ１１１５との間の距離に従って生成することができる。図１２は、図９に図示するような本発明による広視野角を有する三次元画像装置を実現する実施形態を説明する斜視図である。以下に、相違点のみを説明する。
【００７９】
図１２を参照して、小容積の空間を有するコンパクト型装置に対して本発明の装置を実現するための組み合わせが提供される。画像を提供する制御装置１２０２と、画像源１２０４と、反射部（光学ミラー）１２０６と、湾曲フレネルレンズ１２１５と、平坦フレネルレンズ１２２０とが提供される。画像源１２０４および湾曲フレネルレンズ１２１５は、ほぼ直角に配置されるので、本発明の装置が配置される場所の長さおよび容積を考慮しながら、垂直または水平の長さを調節することができる。三次元画像は、画像源から湾曲フレネルレンズ１２１５および平坦フレネルレンズ１２３０への距離に従って生成される。同様に、三次元画像表示装置は、ハーフミラーのみを用いて入力画像と二重フレネルレンズとの構造間距離を最小限に抑えることによって、全体として狭い空間幅を有する。図１３は、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置において用いるフレネルレンズを説明する断面図である。
【００８０】
図１３を参照すると、本発明の実施形態によるフレネルレンズは、一方の面に溝が形成された、湾曲フレネルレンズ１３１０および平坦フレネルレンズ１３２０から成る。すなわち、両方の面に溝を有するフレネルレンズ１３２０は、一方の面における湾曲フレネルレンズと他方の面における平坦フレネルレンズとを有してもよい。ここで、湾曲フレネルレンズおよび平坦フレネルレンズの焦点距離は、互いに異なり得る。焦点距離および溝の種類は、本発明の様々な実施形態において特別に提供される湾曲フレネルレンズおよび平坦フレネルレンズに対応して形成することができる。
【００８１】
そのように実現されるレンズの配置は、空間の使用を簡素化し最大化することができ、本発明と同一の効果を有する三次元画像表示装置に適用することができる。図１４は、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。以下に、相違点のみを説明する。
【００８２】
図１４を参照して、湾曲フレネルレンズの溝と平坦フレネルレンズの溝とが両面にそれぞれ形成された両面フレネルレンズ１４２０が提供される。すなわち、本発明の一実施形態による湾曲フレネルレンズおよび平坦フレネルレンズの構造を単純化するために、これら２つのレンズの特性を両面レンズ上に形成した単一複合体構造の両面フレネルレンズ１４２０が提供される。画像源１４１０から生成される入力画像は、両面フレネルレンズ１４２０を透過して出力画像焦点面１４２５を通り、広視野角を有する三次元画像１４３０を生成する。このような組み合わせによって、三次元画像表示装置を製造する方法は、大量生産のレンズの使用により、単純かつはるかに容易にできるので、省スペースおよび製造コストにおいて利点を有する。
【００８３】
図１５は、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像装置を説明する断面図である。以下に、相違点のみを説明する。
【００８４】
図１５（ａ）を参照すると、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像表示装置１５００は、画像源１５１０と、画像源１５１０に向かって溝がある第１湾曲フレネルレンズ１５１１と、外側に投影される画像に向かって溝がある第２湾曲フレネルレンズと、平坦フレネルレンズ１５２０とを備えてもよい。第１湾曲フレネルレンズ１５１１の位置は、その焦点距離を、画像源１５１０と第１湾曲フレネルレンズ１５１１との間の距離よりも短くすることによって、入力画像を広い角度に拡張することを特徴とする。第２湾曲フレネルレンズ１５１５は、第１湾曲フレネルレンズ１５１１から透過され拡張された画像を平坦フレネルレンズ１５２０の境界へと集めるためのものである。ここで、第１湾曲フレネルレンズ１５１１、第２湾曲フレネルレンズ１５１５、および平坦フレネルレンズ１５２０は、同一の中央軸線上に配置される。
【００８５】
このようにして、屈折された入力画像は、平坦フレネルレンズ１５２０を介して、広視野角および同一の奥行き感を有する三次元画像１５３０ａ、１５３０ｂ、１５３０ｃを生成することができる。従って、観察者１５４０ａ、１５４０ｂ、１５４０ｃは、広視野角の範囲内で、広視野角および同一の奥行き感を有する三次元画像１５３０ａ、１５３０ｂ、１５３０ｃを観察することができる。このような構成は、異なる焦点距離、異なる屈折特性、または異なるレンズサイズを有するフレネルレンズを用いて、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像表示装置を提供する。
【００８６】
図１５（ｂ）を参照すると、本発明の一実施形態による広視野角を有する三次元画像表示装置１５２０は、画像源１５０７と、画像源１５０７に向かって溝がある第１平坦フレネルレンズ１５１３と、外側に投影される画像に向かって溝がある第２平坦フレネルレンズ１５１７と、湾曲フレネルレンズ１５２２とを備えてもよい。ここで、第１平坦フレネルレンズ１５１３、第２平坦フレネルレンズ１５１７、および湾曲フレネルレンズ１５２２は、同一の中央軸線上に配置される。
【００８７】
この組み合わせは、最外部において湾曲フレネルレンズ１５２２から三次元画像を拡張および屈折することによって、従来技術において２つの平坦フレネルレンズによって球面形状に形成される三次元画像を、より歪みの少ない三次元画像１５３２ａ、１５３２ｂ、１５３２ｃとして実現することができる。
【００８８】
ここに記載する画像源は、本発明の一実施形態による比率１６：９のワイドタイプの入力画像として用いることができ、ＣＲＴ、ＬＣＤ、ＰＤＰ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、プロジェクタ、レンズの有無にかかわらず三次元画像モニタ、などのディスプレイとして用いることができる。また、画像源は、実物体であり得る。また、例えば対話型の画像カメラ、ワイヤレスＲＦ型の各種センサなどの補助装置を追加することによって、三次元画像効果を最大化することができる。三次元画像効果を向上させるために、三次元画像音響システムを構成および製造することができ、スピーカを介して入力画像用の音声を提供することもできる。
【００８９】
本発明の一実施形態による三次元画像表示装置は、三次元テレビ、自動車用ナビゲータ、屋内用および屋外用の広告および展示場、イベントホール、テーマパーク、医用画像、ゲームなどに応用することができる。また、この装置は、様々な種類の無人端末および自動装置などの従来の装置に搭載することができる。更に、様々なセンサ技術の組み合わせによって、より対話型の三次元画像を提供することができる。
【００９０】
特定の実施形態を参照して本発明の趣旨を詳述したが、実施形態は、説明のみを目的とするものであって、本発明を限定するものではない。本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、当業者が実施形態を変更または修正することができる、ということが理解されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明の一実施形態によると、三次元画像表示装置は、三次元テレビ、自動車用ナビゲータ、屋内用および屋外用の広告および展示場、イベントホール、テーマパーク、医用画像、ゲームなどに応用することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
広視野角を有する三次元画像表示装置であって、画像を供給するための画像源と、前記画像源から入射する画像を屈折および透過させるように構成された第１フレネルレンズと、前記第１フレネルレンズによって透過される前記画像を屈折および透過させることによって三次元画像を生成するように構成された第２フレネルレンズとを備え、前記第１フレネルレンズおよび前記第２フレネルレンズのうちの少なくとも１つは、湾曲フレネルレンズである、ことを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項２】
前記第１フレネルレンズが湾曲フレネルレンズであり、前記第２フレネルレンズが平坦フレネルレンズである、ことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項３】
前記第１フレネルレンズの焦点距離が、前記第２フレネルレンズの焦点距離以上である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の三次元画像表示装置。
【請求項４】
前記第１フレネルレンズの前記焦点距離が、前記第２フレネルレンズの前記焦点距離よりも小さい、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の三次元画像表示装置。
【請求項５】
前記第１フレネルレンズと前記第２フレネルレンズとの間に配置され、前記第１フレネルレンズを通して透過される画像を屈折および透過させる、第３フレネルレンズを更に備え、前記第１フレネルレンズおよび前記第３フレネルレンズが、反対方向に湾曲した湾曲フレネルレンズであり、前記第１フレネルレンズの溝が、前記画像源に対向する方向に形成され、前記第３フレネルレンズの溝が、前記第２フレネルレンズに対向する方向に形成され、前記第２フレネルレンズが、平坦フレネルレンズである、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の三次元画像表示装置。
【請求項６】
前記第１フレネルレンズと前記第２フレネルレンズとの間に配置され、前記第１フレネルレンズを通して透過される画像を屈折および透過させる、第３フレネルレンズを更に備え、前記第１フレネルレンズおよび前記第３フレネルレンズが、平坦フレネルレンズであり、前記第１フレネルレンズの溝および前記第３フレネルレンズの溝が、互いに対向する方向または反対方向に形成され、前記第２フレネルレンズが、湾曲フレネルレンズである、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の三次元画像表示装置。
【請求項７】
アンチグレア、ＡＲ偏光フィルムおよび表面反射防止マスクのうちのいずれか１つが、前記第１フレネルレンズまたは前記第２フレネルレンズの表面にわたってコーティングされる、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の三次元画像表示装置。
【請求項８】
前記画像源が、主画像を供給するための主画像源と、主画像の背景としての背景画像を供給するための背景画像源とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項９】
前記画像源が、前記主画像を反射し、前記背景画像を透過させるように構成された半透明ミラーを更に備える、ことを特徴とする請求項１または８に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１０】
前記画像源が、ＣＲＴ、ＬＣＤ、ＰＤＰ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、ＤＬＰプロジェクタおよびフレキシブルディスプレイからなる群から選択されるいずれか１つの実物体またはディスプレイである、ことを特徴とする請求項１または８に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１１】
両面に溝が形成されたフレネルレンズであって、入射光を屈折および透過させるように構成された湾曲型フレネルレンズ表面と、前記湾曲型フレネルレンズ表面を通して透過される光を屈折および透過させ、かつ前記湾曲型フレネルレンズ表面よりも小さい焦点距離を有するように構成された平坦型フレネルレンズ表面とを備える、ことを特徴とするフレネルレンズ。
【請求項１２】
広視野角を有する三次元画像表示装置であって、画像を供給するための画像源と、フレネルレンズとを備え、湾曲型フレネルレンズ表面および平坦型フレネルレンズ表面が、前記フレネルレンズの両面にそれぞれ形成され、前記湾曲型フレネルレンズ表面が、入射光を屈折および透過させ、前記平坦型フレネルレンズ表面が、前記湾曲型フレネルレンズ表面を通して透過される光を屈折および透過させ、前記湾曲型フレネルレンズ表面よりも小さい焦点距離を有する、ことを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項１３】
前記画像源が、主画像を供給するための主画像源と、主画像の背景としての背景画像を供給するための背景画像源とを備える、ことを特徴とする請求項１２に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１４】
前記画像源が、前記主画像を反射し、前記背景画像を透過させるように構成された半透明ミラーを更に備える、ことを特徴とする請求項１２または１３に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１５】
前記画像源が、ＣＲＴ、ＬＣＤ、ＰＤＰ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、ＤＬＰプロジェクタおよびフレキシブルディスプレイからなる群から選択されるいずれか１つの実物体またはディスプレイである、ことを特徴とする請求項１２または１４に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１６】
アンチグレア、ＡＲ偏光フィルムおよび表面反射防止マスクのうちのいずれか１つが、前記平坦型フレネルレンズ表面にわたってコーティングされる、ことを特徴とする請求項１２に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１】
広視野角を有する三次元画像表示装置であって、画像を供給するための画像源と、前記画像源から入射する画像を屈折および透過させるように構成された第１フレネルレンズと、前記第１フレネルレンズによって透過される前記画像を屈折および透過させることによって三次元画像を生成するように構成された第２フレネルレンズとを備え、前記第１フレネルレンズおよび前記第２フレネルレンズのうちの少なくとも１つは、湾曲フレネルレンズである、ことを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項２】
前記第１フレネルレンズが湾曲フレネルレンズであり、前記第２フレネルレンズが平坦フレネルレンズである、ことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項３】
前記第１フレネルレンズの焦点距離が、前記第２フレネルレンズの焦点距離以上である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の三次元画像表示装置。
【請求項４】
前記第１フレネルレンズの前記焦点距離が、前記第２フレネルレンズの前記焦点距離よりも小さい、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の三次元画像表示装置。
【請求項５】
前記第１フレネルレンズと前記第２フレネルレンズとの間に配置され、前記第１フレネルレンズを通して透過される画像を屈折および透過させる、第３フレネルレンズを更に備え、前記第１フレネルレンズおよび前記第３フレネルレンズが、反対方向に湾曲した湾曲フレネルレンズであり、前記第１フレネルレンズの溝が、前記画像源に対向する方向に形成され、前記第３フレネルレンズの溝が、前記第２フレネルレンズに対向する方向に形成され、前記第２フレネルレンズが、平坦フレネルレンズである、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の三次元画像表示装置。
【請求項６】
前記第１フレネルレンズと前記第２フレネルレンズとの間に配置され、前記第１フレネルレンズを通して透過される画像を屈折および透過させる、第３フレネルレンズを更に備え、前記第１フレネルレンズおよび前記第３フレネルレンズが、平坦フレネルレンズであり、前記第１フレネルレンズの溝および前記第３フレネルレンズの溝が、互いに対向する方向または反対方向に形成され、前記第２フレネルレンズが、湾曲フレネルレンズである、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の三次元画像表示装置。
【請求項７】
アンチグレア、ＡＲ偏光フィルムおよび表面反射防止マスクのうちのいずれか１つが、前記第１フレネルレンズまたは前記第２フレネルレンズの表面にわたってコーティングされる、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の三次元画像表示装置。
【請求項８】
前記画像源が、主画像を供給するための主画像源と、主画像の背景としての背景画像を供給するための背景画像源とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項９】
前記画像源が、前記主画像を反射し、前記背景画像を透過させるように構成された半透明ミラーを更に備える、ことを特徴とする請求項１または８に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１０】
前記画像源が、ＣＲＴ、ＬＣＤ、ＰＤＰ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、ＤＬＰプロジェクタおよびフレキシブルディスプレイからなる群から選択されるいずれか１つの実物体またはディスプレイである、ことを特徴とする請求項１または８に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１１】
両面に溝が形成されたフレネルレンズであって、入射光を屈折および透過させるように構成された湾曲型フレネルレンズ表面と、前記湾曲型フレネルレンズ表面を通して透過される光を屈折および透過させ、かつ前記湾曲型フレネルレンズ表面よりも小さい焦点距離を有するように構成された平坦型フレネルレンズ表面とを備える、ことを特徴とするフレネルレンズ。
【請求項１２】
広視野角を有する三次元画像表示装置であって、画像を供給するための画像源と、フレネルレンズとを備え、湾曲型フレネルレンズ表面および平坦型フレネルレンズ表面が、前記フレネルレンズの両面にそれぞれ形成され、前記湾曲型フレネルレンズ表面が、入射光を屈折および透過させ、前記平坦型フレネルレンズ表面が、前記湾曲型フレネルレンズ表面を通して透過される光を屈折および透過させ、前記湾曲型フレネルレンズ表面よりも小さい焦点距離を有する、ことを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項１３】
前記画像源が、主画像を供給するための主画像源と、主画像の背景としての背景画像を供給するための背景画像源とを備える、ことを特徴とする請求項１２に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１４】
前記画像源が、前記主画像を反射し、前記背景画像を透過させるように構成された半透明ミラーを更に備える、ことを特徴とする請求項１２または１３に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１５】
前記画像源が、ＣＲＴ、ＬＣＤ、ＰＤＰ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、ＤＬＰプロジェクタおよびフレキシブルディスプレイからなる群から選択されるいずれか１つの実物体またはディスプレイである、ことを特徴とする請求項１２または１４に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１６】
アンチグレア、ＡＲ偏光フィルムおよび表面反射防止マスクのうちのいずれか１つが、前記平坦型フレネルレンズ表面にわたってコーティングされる、ことを特徴とする請求項１２に記載の三次元画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８（ａ）】
【図８（ｂ）】
【図９（ａ）】
【図９（ｂ）】
【図９（ｃ）】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５（ａ）】
【図１５（ｂ）】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８（ａ）】
【図８（ｂ）】
【図９（ａ）】
【図９（ｂ）】
【図９（ｃ）】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５（ａ）】
【図１５（ｂ）】
【公表番号】特表２０１０−５３８３１３（Ｐ２０１０−５３８３１３Ａ）
【公表日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５２２８１４（Ｐ２０１０−５２２８１４）
【出願日】平成２０年８月２９日（２００８．８．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００８／００５０９６
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０２８９０８
【国際公開日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【出願人】（５１００５５３１２）３ディーアイエス シーオー．， エルティーディー． (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２９日（２００８．８．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００８／００５０９６
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０２８９０８
【国際公開日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【出願人】（５１００５５３１２）３ディーアイエス シーオー．， エルティーディー． (1)
【Ｆターム（参考）】
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