立体画像表示装置
【課題】観察者に生じる輻輳調節矛盾や不連続な運動視差を軽減するとともに高画質の立体像が得られる立体画像表示装置を提供する。
【解決手段】複数の画像を表示するディスプレイパネル１０と、前記ディスプレイパネル１０の表示動作を制御するディスプレイ制御器１１と、複数のレンズからなり、前記各レンズにより前記ディスプレイ１０に表示された各画像を各々集光して立体像を結像させるレンズアレイ１２と、前記レンズアレイ１２のレンズよりも小さな複数のレンズから成るレンズアレイ１３とを備え、前記レンズアレイ１３は、前記レンズアレイ１２を通過した光のうち立体像の観察者に不連続な運動視差を生じさせる部分の光がぼけるように前記第１レンズアレイから離間されることを特徴とする。
【解決手段】複数の画像を表示するディスプレイパネル１０と、前記ディスプレイパネル１０の表示動作を制御するディスプレイ制御器１１と、複数のレンズからなり、前記各レンズにより前記ディスプレイ１０に表示された各画像を各々集光して立体像を結像させるレンズアレイ１２と、前記レンズアレイ１２のレンズよりも小さな複数のレンズから成るレンズアレイ１３とを備え、前記レンズアレイ１３は、前記レンズアレイ１２を通過した光のうち立体像の観察者に不連続な運動視差を生じさせる部分の光がぼけるように前記第１レンズアレイから離間されることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、裸眼にて観察者に立体画像を視認させる立体画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、フライアイレンズを構成する各レンズの大きさを、観察者が各レンズを通して常に複数の画素が同時に観察できる程度以上に大きくして、レンズ毎に複数の画像光を通過させ、観察者に立体像を観測させる粗インテグラルイメジング（ＣＩＩ：Ｃｏａｒｓｅ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ）が提案されている。
１９０８年に発明されたインテグラルフォトグラフィは、フライアイレンズを用いて多視点立体像を提示する技術であり、現在でも裸眼にて立体像が視えるように提示する装置等に広く使用されている。
【０００３】
図１は、インテグラルイメジングによる立体像の提示を表した説明図である。図１（ａ）は一般的なインテグラルイメジングの動作を示し、図（ｂ）は粗インテグラルイメジングの動作を示している。ここで、図１（ａ）、（ｂ）に示した表示装置のディスプレイパネル１は、いずれもピクセルピッチがｐであり同様に構成されたものである。
【０００４】
一般的なインテグラルイメジングでは、例えば径の小さいレンズ２から成るレンズアレイが用いられる。このような小さなレンズ２について視野角Ｄ２を大きく設定した場合には、ディスプレイパネル１におけるピクセルピッチｐの画像が、レンズ面から遠い場所では相当に拡大して、例えば図示した実像Ｄ１のように結像する。このことから、レンズ面から比較的近い場所には、表示画像全体を表した実像を明確に結像させることができるが、レンズ面から離れた場所では各ピクセルが拡大されて実像の解像度が著しく低下する。即ち、レンズアレイから離れた場所では、多方向から鮮明に視えるように立体像を提示することが難しくなる。
【０００５】
上記の粗インテグラルイメジングは、レンズアレイから離れた場所においても、視野角Ｄ４を広くして立体像を提示することを可能にするもので、例えば径の大きなレンズ３から成るレンズアレイを用いて立体像を結像させている。このような大きなレンズ３について視野角を大きく設定した場合には、ピクセルピッチｐのサイズの画像がレンズ面から遠く離れた場所においてもそれほど拡大せず、小さな実像Ｄ３が結像する。このことから、レンズ面から遠く離れた場所において結像する実像は、著しく拡大していない各ピクセルによって表されていることから、レンズ２を用いた場合に比べて解像度の劣化が抑えられる。
【０００６】
ここで、図１（ｂ）に示したように、例えば、レンズ３の径をｄ、このレンズ３の焦点距離をｌとしたとき、視野角は、２ｔａｎ-1（ｄ／２ｌ）で求められる。また、前述のようにディスプレイパネル１のピクセルピッチをｐ、レンズ３から像面までの距離をＬとしたとき、立体像の解像度はｐＬ／ｌで求めることができる。これらの式からも、視野角を広くして遠くに立体像を提示する場合には、レンズ径が大きい程、結像時の解像度は良好になることが分かる。
【０００７】
また、上記の粗いレンズアレイを用いることによって、当該レンズ面から離れた場所に立体像を提示することが可能になることから、立体画像表示装置のディスプレイパネルを多層化してボリューム表示と多視点表示とを組み合わせた粗インテグラルボリュメトリックイメジング（ＣＩＶＩ：Ｃｏａｒｓｅ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）も可能になる。例えば、特願２００８−１５１２１号公報に開示された装置は、画像を表示するディスプレイパネルと、エッジパターンを表示するディスプレイパネルとを重ねて構成し、例えば一辺が３５ｍｍの正方形フレネルレンズを１０４枚備えたレンズアレイによって上記の各ディスプレイパネルの画像を所定の場所に結像させ、多視点立体像が鮮明に視えるように構成されている。
【０００８】
図２は、粗インテグラルボリュメトリックイメジングによる提示動作を示す説明図である。
この図は、重ね合せた４つのディスプレイパネル５と粗レンズアレイ６とを備えて、立体像のボリューム表示を行う過程を示している。
図２に例示した装置は、４つのディスプレイパネル５に表示される画像を、複数の大きいレンズから成る粗レンズアレイ６によってほぼ平行光として進行させ、さらに大口径レンズ７によって集光するように構成されている。大口径レンズ７を通過した各光は、所定の各位置で結像して図示したようにそれぞれ異なる４つの実像８となる。これらの実像８は、観察者９の位置から重なり合って視えることから、部分的に奥行を有する、もしくは突出部分を有する１つの立体像となって視認される。また、観察位置によって、異なる画像が観察されることから、両眼視差および運動視差を有する立体像としても視認される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１５１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
多くの立体画像表示装置は、裸眼にて立体像が視えるように提示を行うと、この立体像を視ている観察者に眼の疲労原因となる輻輳調節矛盾を生じさせてしまう。
上記の輻輳調節矛盾を軽減するために、ディスプレイパネルを多層化してインテグラルボリュメトリックイメジングを用いた場合、上記の多層化されたディスプレイパネルの開口部分は構成上制限を受けたものになる。この制限された構成は、通過した光にモアレ縞を発生させ易いもので、画質低下をもたらす多くの要素が新たに生じて良好な画質の立体像を得ることが難しくなるという問題点があった。
【００１１】
また、視野角を広くとりながらレンズ面から遠い場所に鮮明な立体像を結像させるために、粗いレンズアレイ、即ち径の大きなレンズから成るレンズアレイを用いると、ディスプレイパネルからの画像光が当該レンズアレイを通過するとき、各レンズの継ぎ目などにおいて画像中の滑らかに連続した部分が不自然になり、不連続な運動視差が生じるという問題点があった。
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、観察者に生じる輻輳調節矛盾や不連続な運動視差を軽減するとともに高画質の立体像が得られる立体画像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】
【００１３】
本発明に係る立体画像表示装置は、複数の画像を表示するディスプレイパネルと、前記ディスプレイパネルの表示動作を制御するディスプレイ制御部と、複数のレンズからなり、前記各レンズにより前記ディスプレイに表示された各画像を各々集光して立体像を結像させる第１レンズアレイと、前記第１レンズアレイのレンズよりも小さな複数のレンズから成る第２レンズアレイとを備え、前記第２レンズアレイは、前記第１レンズアレイを通過した光のうち立体像の観察者に不連続な運動視差を生じさせる部分の光がぼけるように前記第１レンズアレイから離間されることを特徴とする。
【００１４】
また、前記第２レンズアレイは、該第２レンズアレイのレンズ径をｄ、該レンズの焦点距離をｆ、前記第１レンズアレイを通過する光のぼかしたい範囲をＤとしたとき、Ｄ／ｄｆの絶対値以上の距離を前記第１レンズアレイからあけて配置されることを特徴とする。
【００１５】
また、前記第２レンズアレイは、複数のレンズアレイを重ね合わせて成ることを特徴とする。
【００１６】
また、前記第２のレンズアレイを移動させる移動機構部をさらに備え、前記移動機構部は、前記立体像の観察者の操作に応じて前記第１レンズアレイと前記第２レンズアレイとの間の距離を調整することを特徴とする。
【００１７】
また、前記ディスプレイパネルは、多層化された複数の表示面を有し、前記ディスプレイ制御部は、合成したときに立体像をなす各画像を前記各表示面に各々表示させ、粗インテグラルボリュメトリックイメジングによって立体像を提示することを特徴とする。
【００１８】
また、前記第１のレンズアレイによって結像される立体像の収差を抑制する第１大口径レンズを前記第１レンズアレイの出射側に配置したことを特徴とする。
【００１９】
また、前記第２レンズアレイの出射側に配置された第２大口径レンズをさらに備え、前記第１レンズアレイは、前記第２レンズアレイの近傍で立体像を結像させ、前記第２大口径レンズは、前記第２レンズアレイの近傍で結像した立体像を拡大することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、滑らかな運動視差と深い奥行を有する立体像を提示することができ、また、観察者に生じる輻輳調節矛盾を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】インテグラルイメジングによる立体像の提示を表した説明図である。
【図２】粗インテグラルボリュームイメジングによる提示動作を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例１による立体画像表示装置の概略構成図である。
【図４】図３の立体画像表示装置の動作を示す説明図である。
【図５】図３の立体画像表示装置の動作を示す説明図である。
【図６】凸レンズから成る細かいレンズアレイを用いた場合の光の屈折を示す説明図である。
【図７】凹レンズから成る細かいレンズアレイを用いた場合の光の屈折を示す説明図である。
【図８】立体画像表示装置によって結像された立体像を示す説明図である。
【図９】本発明の実施例２による立体画像表示装置を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施例３による立体画像表示装置を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の立体画像表示装置は、大きなレンズを備えた粗レンズアレイによって生じる不自然な運動視差を抑制するために、上記の粗レンズアレイとともに細かいレンズアレイを備えている。
以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２３】
図３は、本発明の実施例１による立体画像表示装置の概略構成図である。図示した立体画像表示装置は、立体像として提示する画像を表示する例えばＬＣＤなどから成るディスプレイパネル１０、ディスプレイパネル１０の表示動作を制御するディスプレイ制御器１１、複数のレンズを配設した例えばフライアイレンズから成り、ディスプレイパネル１０に表示された画像を集光するレンズアレイ１２を備えている。
レンズアレイ１２は、所定の配列で複数のレンズを備えたものであり、ディスプレイパネル１０に表示される画像と対応するように、例えば凸レンズから成るレンズを所定の数量配置している。
【００２４】
また、上記の立体画像表示装置は、レンズアレイ１２を通過した画像光を後述するように屈折させ、実像２０を平滑化する細かいレンズアレイ１３を備えている。細かいレンズアレイ１３は、レンズアレイ１２を構成する各レンズよりも小さなレンズを複数配置した例えばフライアイレンズから成る。細かいレンズアレイ１３は実像２０と重なっていても実像２０より観察者側に配置されていてもよい。また、細かいレンズアレイ１３として、目の細かいレンチキュラレンズを用いることも可能である。
【００２５】
次に動作について説明する。
図４及び図５は、図３の立体画像表示装置の動作を示す説明図である。これらの図に示した各部には、図３に示したものと同一または相当する部分に同じ符号を付している。
ディスプレイ制御器１１は、集光することによって立体像となる画像を、ディスプレイパネル１０に表示する。
ディスプレイパネル１０に表示された画像の画像光は、レンズアレイ１２の各レンズを通過する。
【００２６】
レンズアレイ１２を通過した各画像光は、観察者１５の視界内となる所定の結像位置に集光され、細かいレンズアレイ１３が設置された位置もしくはその近傍に実像２０が結像し、観察者１５には立体像が視える。
このとき、レンズアレイ１２の各レンズ同志の継ぎ目部分で屈折した画像光は、結像場所で集光するように進行せず、図５に示したように結像には関係の無い方向へ進行する。
図５（ａ）は、細かいレンズアレイ１３を凸レンズで構成した場合を示し、図５（ｂ）は、細かいレンズアレイ１３を凹レンズで構成した場合を示している。
【００２７】
大きな径のレンズから成る粗レンズアレイを用いた場合、図５のレンズアレイ１２の継ぎ目部分３０では、ディスプレイパネル１０から出射された光が集光位置３１に向かって屈折しない。そのため、集光位置３１で結像した実像は滑らかに連続する部分が不自然になることがあり、観察者１５に不連続な運動視差が生じることがある。
そこで、レンズアレイ１２の出射側に細かいレンズアレイ１３を配置し、レンズアレイ１２の継ぎ目部分３０によって引き起こされる不連続な運動視差や、ディスプレイパネル１０を多層化した場合に生じるモアレ縞などを抑制する。
【００２８】
次に、レンズアレイ１２の出射側に細かいレンズアレイ１３を配置した場合について説明する。
図６は、凸レンズから成る細かいレンズアレイを用いた場合の光の屈折を示す説明図である。図６に示す各凸レンズは、図中凸レンズの左側から実線で示した光が入射し、当該凸レンズの右側に二点鎖線で示した光を出射している。なお、二点鎖線で示した光は凸レンズによって屈折されている。
ここで、図６に示した凸レンズの径をｄ、焦点距離をｆとする。
【００２９】
図６（ａ）は、図中、凸レンズの左側において、当該凸レンズから焦点距離ｆの位置に提示像が結像し、この光が当該凸レンズへ入射していることを示している。
ここで、入射する像から凸レンズまでの距離をＬ、凸レンズによって屈折された光が集光する位置（凸レンズからの距離）をａとしたとき、
１/Ｌ＋１/ａ＝１/ｆ ・・・（１）
と表される。
図６（ａ）のように凸レンズへ入射する光（提示像を表す光）が焦点距離ｆにおいて結像している場合は、（１）式のＬはｆであることからａが無限大になることが分かり、凸レンズを通過した光は集光することなく進行し、提示像はレンズ径ｄと等しいぼけ量を有するものになる。
【００３０】
図６（ｂ）は、図中凸レンズの右側において、当該凸レンズから距離２ｂの位置に提示像が結像している場合を示している。
ここで、凸レンズへ入射する光が結像する位置（凸レンズからの距離）をｌ、凸レンズによって屈折した光が集光する位置（凸レンズからの距離）をｂとしたとき、
１/ｂ−１/ｌ＝１/ｆ ・・・（２）
の関係を有する。
図６（ｂ）のように、距離２ｂにおいて結像する光が凸レンズへ入射した場合、（２）式のｌは２ｂであり、ｂ＝ｆ/２であることが分かる。凸レンズによって屈折した光は図６（ｂ）に二点鎖線で示したように距離ｂの位置において集光した後で拡がり、この光が表す提示像は距離２ｂ即ち焦点距離ｆの位置においてレンズ径ｄに等しいぼけ量を有するものになる。
【００３１】
上述の図６（ａ）、（ｂ）を用いた説明から、凸レンズの前後±ｆの範囲内に結像した提示像は、当該凸レンズを挿入することによって生じるぼけ量が、レンズ径以内に抑えられたものであることが分かる。
【００３２】
図６（ｃ）は、図５（ａ）に示したレンズアレイ１２のレンズを通過した光が細かいレンズアレイ１３の凸レンズによって屈折することにより、上記の光が表す提示像にぼけ量Ｄのぼかしが生じる状態を示している。このぼけ量Ｄは、
Ｄ＝ｄ（ａ＋Ｌ）/ａ ・・・（３）
と表される。
ここで、１/Ｌ＋１/ａ＝１/ｆより
ａ＝ｆＬ（Ｌ−ｆ） ・・・（４）
となることから、上記の（３）式は、
Ｄ＝ｄＬ/ｆ ・・・（５）
と表すことができる。即ち、レンズアレイ１２から、細かいレンズアレイ１３の凸レンズの焦点距離ｆのｎ倍だけ当該細かいレンズアレイ１３を離すことにより、上記の凸レンズの径ｄのｎ倍の幅（範囲）をぼかすことができる。
【００３３】
即ち、細かいレンズアレイ１３を離間する距離によって、提示像に生じさせるぼけ量を調整・制御することが可能である。
また、図示したぼけ量Ｄの範囲中にレンズアレイ１２のレンズの継ぎ目を通過した光（ぼかしたい場所）が含まれるように、当該レンズアレイ１２を通過した光を細かいレンズアレイ１３に入射させることによって不自然な運動視差やモアレ縞の発生を抑制することができる。
【００３４】
図７は、凹レンズから成る細かいレンズアレイを用いた場合の光の屈折を示す説明図である。図７に示す各凹レンズは、図中凹レンズの左側から実線で示した光が入射し、当該凹レンズの右側に二点鎖線で示した光を出射している。なお、二点鎖線で示した光は凹レンズによって屈折されている。
ここで、図７に示した凹レンズの径をｄ、焦点距離を−ｆとする。なお、凹レンズの焦点距離ｆは負の値を有するものであり、−ｆが正の値（距離）を表している。
【００３５】
図７（ａ）は、図中、凹レンズの右側において、当該凹レンズから焦点距離―ｆの位置に提示像が結像する場合を示している。
ここで、凹レンズから結像位置までの距離をｌ、凹レンズによって屈折された光が集光する位置（凹レンズからの距離）をａとしたとき、
１/ａ＋１/ｌ＝−１/ｆ ・・・（６）
と表される。
図７（ａ）のように凹レンズへ入射した光（提示像を表す光）が焦点距離−ｆにおいて結像する場合は、（６）式からａが無限大になることが分かり、凹レンズによって屈折した光は集光することなく進行し、提示像はレンズ径ｄと等しいぼけ量を有するものになる。
【００３６】
図７（ｂ）は、図中、凹レンズの左側において、当該凹レンズから距離２ｂの位置に提示像が結像し、この光が当該凹レンズへ入射していることを示している。
ここで、入射する像から凹レンズまでの距離をＬ、凹レンズによって屈折された光が集光する位置（凹レンズからの距離）をｂとしたとき、
１/ｂ−１/Ｌ＝−１/ｆ ・・・（７）
と表される。
図７（ｂ）のように、距離２ｂの位置において結像している光が凹レンズへ入射した場合、（７）式のＬは２ｂであり、ｂ＝−ｆ/２であることが分かる。凹レンズによって屈折した光は図７（ｂ）に二点鎖線で示したように拡がり、この光が表す提示像は、距離２ｂ即ち焦点距離ｆの位置においてレンズ径ｄに等しくなるぼけ量を有している。
【００３７】
上述の図７（ａ）、（ｂ）を用いた説明から、凹レンズの前後±ｆの範囲内に結像した提示像は、当該凹レンズを挿入することによって生じるぼけ量がレンズ径以内に抑えられたものであることが分かる。
【００３８】
図７（ｃ）は、図５（ｂ）に示したレンズアレイ１２の要素レンズを通過した光が細かいレンズアレイ１３の凹レンズによって屈折し、上記の光が表す提示像にぼけ量Ｄのぼかしが生じる状態を示している。このぼけ量Ｄは、
Ｄ＝ｄ（Ｌ−ｂ）/ｂ ・・・（８）
と表される。
ここで、１/ｂ−１/Ｌ＝−１/ｆより
ｂ＝ｆＬ（ｆ−Ｌ） ・・・（９）
となることから、上記の（８）式は、
Ｄ＝−ｄＬ/ｆ ・・・（１０）
と表すことができる。即ち、レンズアレイ１２から、細かいレンズアレイ１３の凹レンズの焦点距離−ｆの絶対値のｎ倍だけ当該細かいレンズアレイ１３を離すことにより、上記の凹レンズの径ｄのｎ倍の幅（範囲）をぼかすことができる。
即ち、前述の凸レンズから成る細かいレンズアレイ１３と同様に、凹レンズから成る細かいレンズアレイ１３を離間する距離によって、提示像に生じさせるぼけ量を調整・制御することが可能である。
【００３９】
このように、細かいレンズアレイ１３は、凸レンズで構成したものでも、凹レンズで構成したものであっても提示像を適当にぼかすことができ、不自然な運動視差を抑制することができる。
【００４０】
ＣＩＶＩにより、奥行き幅Ｗを有する多層像面を提示したいときには、焦点距離がｆ＝Ｗ/２の凸レンズから構成されるフライアイレンズ、または焦点距離がｆ＝−Ｗ/２の凹レンズから構成されるフライアイレンズ即ち細かいレンズアレイ１３を上記の多層像面の奥行き側（観察者１５側）に配置し、特に多層像面の中央部分に細かいレンズアレイ１３が掛かるように配置する。
また、レンズアレイ１２を構成する各レンズの継ぎ目部分等を通過した光についてぼかしたい幅（範囲）をＤとしたとき、レンズ径がｄの各レンズによって構成された細かいレンズアレイ１３から、Ｄ/ｄｆの絶対値以上の距離で離れている位置に上記のレンズ継ぎ目部分等（レンズアレイ１２）の面を配置する。
【００４１】
上記の（５）式、（１０）式から分かるように、細かいレンズアレイ１３の各レンズは、レンズ径ｄが小さい程、ぼかしが弱くなる。一方、このレンズ径ｄが大きい程、提示した立体像の解像度は低下する。このことから、観察者１５には適当なぼけ量を有する立体像が視えるようにレンズ径ｄを設定し、また焦点距離ｆを設定する。
また、細かいレンズアレイ１３の配置は実像の結像位置に近い程良く、結像位置から大きく離れて配置すると、実像の結像位置から大きく外れる光が多くなって立体像が全体的にぼけてしまう。
そこで、観察者１５には適度のぼけ量を有する立体像が視えるように、細かいレンズアレイ１３の位置を移動する移動機構部を立体画像表示装置に備えてもよい。この場合、観察者１５等の操作に応じて、レンズアレイ１２等と観察者１５とを結ぶ直線上を移動するように上記の移動機構部を構成する。
【００４２】
ここまで説明した立体画像表示装置は、一枚の細かいレンズアレイ１３を備えたものであるが、細かいレンズアレイを複数重ね合わせて多層化し、例えば一枚のレンズでは難しい焦点距離が得られるように構成してもよい。なお、この場合においても、各細かいレンズアレイを移動させる移動機構部を備え、所望の結像位置において適当なぼけ量が生じるように各レンズアレイの位置を調整し、鮮明な立体像が視えるようにしてもよい。
【００４３】
また、粗インテグラルボリュメトリックイメジング（ＣＩＶＩ）による立体像の提示を行う立体画像表示装置に、前述のレンズアレイ１２ならびに細かいレンズアレイ１３を備えることも可能である。
このとき用いられるディスプレイパネル１０は、複数の表示面を多層化して備えており、ディスプレイ制御器１１の制御によって、結像時に重なることにより立体像（実像）になる複数の画像を上記の各表示面にそれぞれ表示させるように構成され、例えば４つの表示面を備え、ディスプレイ制御器１１は、各表示面にそれぞれ異なる画像を表示させる。
【００４４】
また、ＣＩＶＩで使用されるレンズアレイ１２は、当該レンズアレイ１２を構成する各レンズが、ディスプレイパネル１０に表示される画素のうち、常に複数の画素が観察者１５に観察される程度以上に十分大きな径を持つ。
この装置では、細かいレンズアレイ１３の位置もしくはその近傍において、複数の実像が重なるように結像し、観察者１５には一つの立体像として視えるように提示される。
【００４５】
図８は、立体画像表示装置によって結像された立体像を示す説明図である。図示した各立体像は、同様な仕様の立体画像表示装置によりＣＩＶＩを用いて結像させたもので、図８（ａ）は、細かいレンズアレイ１３を除いた装置によって提示された立体像（観察像）を示している。図８（ｂ）は、細かいレンズアレイ１３を備えた本発明の装置によって提示された立体像（観察像）を示している。
図８（ａ）に示す観察像にはモアレ縞や前述のレンズ継ぎ目部分による影響などが含まれているが、図８（ｂ）に示す観察像にはこれらを確認することができず、滑らかな立体像が形成されている。
【００４６】
図８（ｃ）〜（ｅ）は、上記の細かいレンズアレイ１３を備えた装置によって提示された立体像を多方向から視たときの観察像を示している。図８（ｃ）は左視点において視える観察像であり、図８（ｄ）は上視点において視える観察像であり、図８（ｅ）は右視点において視える観察像である。細かいレンズアレイ１３によって、適当なぼけ量を与えることにより、多方向から視た場合でも一様な鮮明さを有する立体像を提示することができ、また、運動視差が滑らかになり、観察者に不快感を生じさせることを抑えることができる。
【実施例２】
【００４７】
図９は、本発明の実施例２による立体画像表示装置を示す説明図である。この図は、実施例１の説明で用いた図４等に示したものと同一または相当する部分に同じ符号を使用している。
実施例２による立体画像表示装置は、大口径レンズ４０を備えた以外は、図３に示したものと概ね同様に構成されている。ここでは、実施例１で説明した立体画像表示装置と同様に構成された部分の重複説明を省略する。
大口径レンズ４０は、例えばフレネルレンズから成り、レンズアレイ１２と細かいレンズアレイ１３との間において、レンズアレイ１２の近傍に配置されている。大口径レンズ４０は、細かいレンズアレイ１３の位置で結像する実像２０に生じる収差を抑えるように、レンズアレイ１２から出射される光を整える。
【００４８】
細かいレンズアレイ１３において結像している実像２０は、前述のように大口径レンズ４０により収差が抑制されており、また、細かいレンズアレイ１３によって、レンズアレイ１２のレンズ継ぎ目等において生じる不自然な部分がぼけていることから、観察者に生じる不連続な運動視差が軽減され、またモアレ縞などが抑えられた鮮明な立体像が視える。
【００４９】
上述のように大口径レンズ４０を備えた場合でも、ディスプレイパネル１０を複数の表示面を備えて構成し、ＣＩＶＩによる立体像の提示を行うことも可能である。また、実施例２による立体画像表示装置に備える細かいレンズアレイ１３は、フライアイレンズであっても目の細かいレンチキュラレンズであっても同様な作用効果が得られる。
【実施例３】
【００５０】
図１０は、本発明の実施例３による立体画像表示装置を示す説明図である。この図は、実施例１の説明で用いた図４、図９等に示したものと同一または相当する部分に同じ符号を使用している。
実施例３による立体画像表示装置は、図３に示したものと概ね同様に構成されている。ここでは、実施例１で説明した立体画像表示装置と同様に構成された部分の重複説明を省略する。
【００５１】
実施例３の立体画像表示装置に用いられるディスプレイパネル１０は、複数の表示面を重ねて備え、図１０では図示を省略したディスプレイ制御器１１の制御により上記の各表示面に異なる画像を表示するように構成されている。
また、この立体画像表示装置は、実施例２の立体画像表示装置に、さらに例えばフレネルレンズからなる大口径レンズ５０、５１を備えたものである。大口径レンズ５０、５１は、細かいレンズアレイ１３の出射側に配置されている。
なお、実施例１の立体画像表示装置のように大口径レンズ４０を有していないものに、大口径レンズ５０、５１を備えてもよい。
【００５２】
ディスプレイパネル１０の各表示面に表示された各画像光は、レンズアレイ１２に入射し、当該レンズアレイ１２は、この光を細かいレンズアレイ１３の位置で多層の実像２０として結像するように集光する。さらに、大口径レンズ４０は、細かいレンズアレイ１３から出射された光を入射し、結像の際に生じる収差を抑制するように屈折させる。
細かいレンズアレイ１３の位置において結像した多層の実像２０は、大口径レンズ５０、５１によって拡大される。この大口径レンズ５０、５１は、入射した光（多層の実像２０）を屈折させ、観察者の視界内の空中において多層の実像２１が結像するように出射する。
【００５３】
実施例３の立体画像表示装置は、上記のように複数の表示面を有するディスプレイパネル１０を備え、各表示面に表示された画像をレンズアレイ１２で集光し、細かいレンズアレイ１３の位置において多層の実像２０を結像させている。換言すると、奥行きが凝縮された多層の実像面に細かいレンズアレイ１３が配置されており、結像した多層の実像２０のぼける部分を小さく抑えながら、観察者に生じる輻輳調節矛盾や不連続な運動視差を軽減させている。
また、この多層の実像２０を、大口径レンズ５０、５１を用いて拡大し、例えば空中に多層の実像２１を結像させ、観察者には奥行の深い立体像が空中に浮き上がって視えるように提示することが可能であり、立体画像表示装置から離れた空中に浮き上がった立体像を提示することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明による立体画像表示装置は、アミューズメントなどのアトラクションに用いられる表示装置やゲーム機器など、提示した立体画像を裸眼で視覚させる機器などに適している。
【符号の説明】
【００５５】
１、５、１０ディスプレイパネル
２、３要素レンズ
６粗レンズアレイ
７、４０、５０、５１大口径レンズ
８、２０、２１実像
９、１５観察者
１１ディスプレイ制御器
１２レンズアレイ
１３細かいレンズアレイ
３０継ぎ目部分
３１集光位置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、裸眼にて観察者に立体画像を視認させる立体画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、フライアイレンズを構成する各レンズの大きさを、観察者が各レンズを通して常に複数の画素が同時に観察できる程度以上に大きくして、レンズ毎に複数の画像光を通過させ、観察者に立体像を観測させる粗インテグラルイメジング（ＣＩＩ：Ｃｏａｒｓｅ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ）が提案されている。
１９０８年に発明されたインテグラルフォトグラフィは、フライアイレンズを用いて多視点立体像を提示する技術であり、現在でも裸眼にて立体像が視えるように提示する装置等に広く使用されている。
【０００３】
図１は、インテグラルイメジングによる立体像の提示を表した説明図である。図１（ａ）は一般的なインテグラルイメジングの動作を示し、図（ｂ）は粗インテグラルイメジングの動作を示している。ここで、図１（ａ）、（ｂ）に示した表示装置のディスプレイパネル１は、いずれもピクセルピッチがｐであり同様に構成されたものである。
【０００４】
一般的なインテグラルイメジングでは、例えば径の小さいレンズ２から成るレンズアレイが用いられる。このような小さなレンズ２について視野角Ｄ２を大きく設定した場合には、ディスプレイパネル１におけるピクセルピッチｐの画像が、レンズ面から遠い場所では相当に拡大して、例えば図示した実像Ｄ１のように結像する。このことから、レンズ面から比較的近い場所には、表示画像全体を表した実像を明確に結像させることができるが、レンズ面から離れた場所では各ピクセルが拡大されて実像の解像度が著しく低下する。即ち、レンズアレイから離れた場所では、多方向から鮮明に視えるように立体像を提示することが難しくなる。
【０００５】
上記の粗インテグラルイメジングは、レンズアレイから離れた場所においても、視野角Ｄ４を広くして立体像を提示することを可能にするもので、例えば径の大きなレンズ３から成るレンズアレイを用いて立体像を結像させている。このような大きなレンズ３について視野角を大きく設定した場合には、ピクセルピッチｐのサイズの画像がレンズ面から遠く離れた場所においてもそれほど拡大せず、小さな実像Ｄ３が結像する。このことから、レンズ面から遠く離れた場所において結像する実像は、著しく拡大していない各ピクセルによって表されていることから、レンズ２を用いた場合に比べて解像度の劣化が抑えられる。
【０００６】
ここで、図１（ｂ）に示したように、例えば、レンズ３の径をｄ、このレンズ３の焦点距離をｌとしたとき、視野角は、２ｔａｎ-1（ｄ／２ｌ）で求められる。また、前述のようにディスプレイパネル１のピクセルピッチをｐ、レンズ３から像面までの距離をＬとしたとき、立体像の解像度はｐＬ／ｌで求めることができる。これらの式からも、視野角を広くして遠くに立体像を提示する場合には、レンズ径が大きい程、結像時の解像度は良好になることが分かる。
【０００７】
また、上記の粗いレンズアレイを用いることによって、当該レンズ面から離れた場所に立体像を提示することが可能になることから、立体画像表示装置のディスプレイパネルを多層化してボリューム表示と多視点表示とを組み合わせた粗インテグラルボリュメトリックイメジング（ＣＩＶＩ：Ｃｏａｒｓｅ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）も可能になる。例えば、特願２００８−１５１２１号公報に開示された装置は、画像を表示するディスプレイパネルと、エッジパターンを表示するディスプレイパネルとを重ねて構成し、例えば一辺が３５ｍｍの正方形フレネルレンズを１０４枚備えたレンズアレイによって上記の各ディスプレイパネルの画像を所定の場所に結像させ、多視点立体像が鮮明に視えるように構成されている。
【０００８】
図２は、粗インテグラルボリュメトリックイメジングによる提示動作を示す説明図である。
この図は、重ね合せた４つのディスプレイパネル５と粗レンズアレイ６とを備えて、立体像のボリューム表示を行う過程を示している。
図２に例示した装置は、４つのディスプレイパネル５に表示される画像を、複数の大きいレンズから成る粗レンズアレイ６によってほぼ平行光として進行させ、さらに大口径レンズ７によって集光するように構成されている。大口径レンズ７を通過した各光は、所定の各位置で結像して図示したようにそれぞれ異なる４つの実像８となる。これらの実像８は、観察者９の位置から重なり合って視えることから、部分的に奥行を有する、もしくは突出部分を有する１つの立体像となって視認される。また、観察位置によって、異なる画像が観察されることから、両眼視差および運動視差を有する立体像としても視認される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１５１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
多くの立体画像表示装置は、裸眼にて立体像が視えるように提示を行うと、この立体像を視ている観察者に眼の疲労原因となる輻輳調節矛盾を生じさせてしまう。
上記の輻輳調節矛盾を軽減するために、ディスプレイパネルを多層化してインテグラルボリュメトリックイメジングを用いた場合、上記の多層化されたディスプレイパネルの開口部分は構成上制限を受けたものになる。この制限された構成は、通過した光にモアレ縞を発生させ易いもので、画質低下をもたらす多くの要素が新たに生じて良好な画質の立体像を得ることが難しくなるという問題点があった。
【００１１】
また、視野角を広くとりながらレンズ面から遠い場所に鮮明な立体像を結像させるために、粗いレンズアレイ、即ち径の大きなレンズから成るレンズアレイを用いると、ディスプレイパネルからの画像光が当該レンズアレイを通過するとき、各レンズの継ぎ目などにおいて画像中の滑らかに連続した部分が不自然になり、不連続な運動視差が生じるという問題点があった。
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、観察者に生じる輻輳調節矛盾や不連続な運動視差を軽減するとともに高画質の立体像が得られる立体画像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】
【００１３】
本発明に係る立体画像表示装置は、複数の画像を表示するディスプレイパネルと、前記ディスプレイパネルの表示動作を制御するディスプレイ制御部と、複数のレンズからなり、前記各レンズにより前記ディスプレイに表示された各画像を各々集光して立体像を結像させる第１レンズアレイと、前記第１レンズアレイのレンズよりも小さな複数のレンズから成る第２レンズアレイとを備え、前記第２レンズアレイは、前記第１レンズアレイを通過した光のうち立体像の観察者に不連続な運動視差を生じさせる部分の光がぼけるように前記第１レンズアレイから離間されることを特徴とする。
【００１４】
また、前記第２レンズアレイは、該第２レンズアレイのレンズ径をｄ、該レンズの焦点距離をｆ、前記第１レンズアレイを通過する光のぼかしたい範囲をＤとしたとき、Ｄ／ｄｆの絶対値以上の距離を前記第１レンズアレイからあけて配置されることを特徴とする。
【００１５】
また、前記第２レンズアレイは、複数のレンズアレイを重ね合わせて成ることを特徴とする。
【００１６】
また、前記第２のレンズアレイを移動させる移動機構部をさらに備え、前記移動機構部は、前記立体像の観察者の操作に応じて前記第１レンズアレイと前記第２レンズアレイとの間の距離を調整することを特徴とする。
【００１７】
また、前記ディスプレイパネルは、多層化された複数の表示面を有し、前記ディスプレイ制御部は、合成したときに立体像をなす各画像を前記各表示面に各々表示させ、粗インテグラルボリュメトリックイメジングによって立体像を提示することを特徴とする。
【００１８】
また、前記第１のレンズアレイによって結像される立体像の収差を抑制する第１大口径レンズを前記第１レンズアレイの出射側に配置したことを特徴とする。
【００１９】
また、前記第２レンズアレイの出射側に配置された第２大口径レンズをさらに備え、前記第１レンズアレイは、前記第２レンズアレイの近傍で立体像を結像させ、前記第２大口径レンズは、前記第２レンズアレイの近傍で結像した立体像を拡大することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、滑らかな運動視差と深い奥行を有する立体像を提示することができ、また、観察者に生じる輻輳調節矛盾を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】インテグラルイメジングによる立体像の提示を表した説明図である。
【図２】粗インテグラルボリュームイメジングによる提示動作を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例１による立体画像表示装置の概略構成図である。
【図４】図３の立体画像表示装置の動作を示す説明図である。
【図５】図３の立体画像表示装置の動作を示す説明図である。
【図６】凸レンズから成る細かいレンズアレイを用いた場合の光の屈折を示す説明図である。
【図７】凹レンズから成る細かいレンズアレイを用いた場合の光の屈折を示す説明図である。
【図８】立体画像表示装置によって結像された立体像を示す説明図である。
【図９】本発明の実施例２による立体画像表示装置を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施例３による立体画像表示装置を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の立体画像表示装置は、大きなレンズを備えた粗レンズアレイによって生じる不自然な運動視差を抑制するために、上記の粗レンズアレイとともに細かいレンズアレイを備えている。
以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２３】
図３は、本発明の実施例１による立体画像表示装置の概略構成図である。図示した立体画像表示装置は、立体像として提示する画像を表示する例えばＬＣＤなどから成るディスプレイパネル１０、ディスプレイパネル１０の表示動作を制御するディスプレイ制御器１１、複数のレンズを配設した例えばフライアイレンズから成り、ディスプレイパネル１０に表示された画像を集光するレンズアレイ１２を備えている。
レンズアレイ１２は、所定の配列で複数のレンズを備えたものであり、ディスプレイパネル１０に表示される画像と対応するように、例えば凸レンズから成るレンズを所定の数量配置している。
【００２４】
また、上記の立体画像表示装置は、レンズアレイ１２を通過した画像光を後述するように屈折させ、実像２０を平滑化する細かいレンズアレイ１３を備えている。細かいレンズアレイ１３は、レンズアレイ１２を構成する各レンズよりも小さなレンズを複数配置した例えばフライアイレンズから成る。細かいレンズアレイ１３は実像２０と重なっていても実像２０より観察者側に配置されていてもよい。また、細かいレンズアレイ１３として、目の細かいレンチキュラレンズを用いることも可能である。
【００２５】
次に動作について説明する。
図４及び図５は、図３の立体画像表示装置の動作を示す説明図である。これらの図に示した各部には、図３に示したものと同一または相当する部分に同じ符号を付している。
ディスプレイ制御器１１は、集光することによって立体像となる画像を、ディスプレイパネル１０に表示する。
ディスプレイパネル１０に表示された画像の画像光は、レンズアレイ１２の各レンズを通過する。
【００２６】
レンズアレイ１２を通過した各画像光は、観察者１５の視界内となる所定の結像位置に集光され、細かいレンズアレイ１３が設置された位置もしくはその近傍に実像２０が結像し、観察者１５には立体像が視える。
このとき、レンズアレイ１２の各レンズ同志の継ぎ目部分で屈折した画像光は、結像場所で集光するように進行せず、図５に示したように結像には関係の無い方向へ進行する。
図５（ａ）は、細かいレンズアレイ１３を凸レンズで構成した場合を示し、図５（ｂ）は、細かいレンズアレイ１３を凹レンズで構成した場合を示している。
【００２７】
大きな径のレンズから成る粗レンズアレイを用いた場合、図５のレンズアレイ１２の継ぎ目部分３０では、ディスプレイパネル１０から出射された光が集光位置３１に向かって屈折しない。そのため、集光位置３１で結像した実像は滑らかに連続する部分が不自然になることがあり、観察者１５に不連続な運動視差が生じることがある。
そこで、レンズアレイ１２の出射側に細かいレンズアレイ１３を配置し、レンズアレイ１２の継ぎ目部分３０によって引き起こされる不連続な運動視差や、ディスプレイパネル１０を多層化した場合に生じるモアレ縞などを抑制する。
【００２８】
次に、レンズアレイ１２の出射側に細かいレンズアレイ１３を配置した場合について説明する。
図６は、凸レンズから成る細かいレンズアレイを用いた場合の光の屈折を示す説明図である。図６に示す各凸レンズは、図中凸レンズの左側から実線で示した光が入射し、当該凸レンズの右側に二点鎖線で示した光を出射している。なお、二点鎖線で示した光は凸レンズによって屈折されている。
ここで、図６に示した凸レンズの径をｄ、焦点距離をｆとする。
【００２９】
図６（ａ）は、図中、凸レンズの左側において、当該凸レンズから焦点距離ｆの位置に提示像が結像し、この光が当該凸レンズへ入射していることを示している。
ここで、入射する像から凸レンズまでの距離をＬ、凸レンズによって屈折された光が集光する位置（凸レンズからの距離）をａとしたとき、
１/Ｌ＋１/ａ＝１/ｆ ・・・（１）
と表される。
図６（ａ）のように凸レンズへ入射する光（提示像を表す光）が焦点距離ｆにおいて結像している場合は、（１）式のＬはｆであることからａが無限大になることが分かり、凸レンズを通過した光は集光することなく進行し、提示像はレンズ径ｄと等しいぼけ量を有するものになる。
【００３０】
図６（ｂ）は、図中凸レンズの右側において、当該凸レンズから距離２ｂの位置に提示像が結像している場合を示している。
ここで、凸レンズへ入射する光が結像する位置（凸レンズからの距離）をｌ、凸レンズによって屈折した光が集光する位置（凸レンズからの距離）をｂとしたとき、
１/ｂ−１/ｌ＝１/ｆ ・・・（２）
の関係を有する。
図６（ｂ）のように、距離２ｂにおいて結像する光が凸レンズへ入射した場合、（２）式のｌは２ｂであり、ｂ＝ｆ/２であることが分かる。凸レンズによって屈折した光は図６（ｂ）に二点鎖線で示したように距離ｂの位置において集光した後で拡がり、この光が表す提示像は距離２ｂ即ち焦点距離ｆの位置においてレンズ径ｄに等しいぼけ量を有するものになる。
【００３１】
上述の図６（ａ）、（ｂ）を用いた説明から、凸レンズの前後±ｆの範囲内に結像した提示像は、当該凸レンズを挿入することによって生じるぼけ量が、レンズ径以内に抑えられたものであることが分かる。
【００３２】
図６（ｃ）は、図５（ａ）に示したレンズアレイ１２のレンズを通過した光が細かいレンズアレイ１３の凸レンズによって屈折することにより、上記の光が表す提示像にぼけ量Ｄのぼかしが生じる状態を示している。このぼけ量Ｄは、
Ｄ＝ｄ（ａ＋Ｌ）/ａ ・・・（３）
と表される。
ここで、１/Ｌ＋１/ａ＝１/ｆより
ａ＝ｆＬ（Ｌ−ｆ） ・・・（４）
となることから、上記の（３）式は、
Ｄ＝ｄＬ/ｆ ・・・（５）
と表すことができる。即ち、レンズアレイ１２から、細かいレンズアレイ１３の凸レンズの焦点距離ｆのｎ倍だけ当該細かいレンズアレイ１３を離すことにより、上記の凸レンズの径ｄのｎ倍の幅（範囲）をぼかすことができる。
【００３３】
即ち、細かいレンズアレイ１３を離間する距離によって、提示像に生じさせるぼけ量を調整・制御することが可能である。
また、図示したぼけ量Ｄの範囲中にレンズアレイ１２のレンズの継ぎ目を通過した光（ぼかしたい場所）が含まれるように、当該レンズアレイ１２を通過した光を細かいレンズアレイ１３に入射させることによって不自然な運動視差やモアレ縞の発生を抑制することができる。
【００３４】
図７は、凹レンズから成る細かいレンズアレイを用いた場合の光の屈折を示す説明図である。図７に示す各凹レンズは、図中凹レンズの左側から実線で示した光が入射し、当該凹レンズの右側に二点鎖線で示した光を出射している。なお、二点鎖線で示した光は凹レンズによって屈折されている。
ここで、図７に示した凹レンズの径をｄ、焦点距離を−ｆとする。なお、凹レンズの焦点距離ｆは負の値を有するものであり、−ｆが正の値（距離）を表している。
【００３５】
図７（ａ）は、図中、凹レンズの右側において、当該凹レンズから焦点距離―ｆの位置に提示像が結像する場合を示している。
ここで、凹レンズから結像位置までの距離をｌ、凹レンズによって屈折された光が集光する位置（凹レンズからの距離）をａとしたとき、
１/ａ＋１/ｌ＝−１/ｆ ・・・（６）
と表される。
図７（ａ）のように凹レンズへ入射した光（提示像を表す光）が焦点距離−ｆにおいて結像する場合は、（６）式からａが無限大になることが分かり、凹レンズによって屈折した光は集光することなく進行し、提示像はレンズ径ｄと等しいぼけ量を有するものになる。
【００３６】
図７（ｂ）は、図中、凹レンズの左側において、当該凹レンズから距離２ｂの位置に提示像が結像し、この光が当該凹レンズへ入射していることを示している。
ここで、入射する像から凹レンズまでの距離をＬ、凹レンズによって屈折された光が集光する位置（凹レンズからの距離）をｂとしたとき、
１/ｂ−１/Ｌ＝−１/ｆ ・・・（７）
と表される。
図７（ｂ）のように、距離２ｂの位置において結像している光が凹レンズへ入射した場合、（７）式のＬは２ｂであり、ｂ＝−ｆ/２であることが分かる。凹レンズによって屈折した光は図７（ｂ）に二点鎖線で示したように拡がり、この光が表す提示像は、距離２ｂ即ち焦点距離ｆの位置においてレンズ径ｄに等しくなるぼけ量を有している。
【００３７】
上述の図７（ａ）、（ｂ）を用いた説明から、凹レンズの前後±ｆの範囲内に結像した提示像は、当該凹レンズを挿入することによって生じるぼけ量がレンズ径以内に抑えられたものであることが分かる。
【００３８】
図７（ｃ）は、図５（ｂ）に示したレンズアレイ１２の要素レンズを通過した光が細かいレンズアレイ１３の凹レンズによって屈折し、上記の光が表す提示像にぼけ量Ｄのぼかしが生じる状態を示している。このぼけ量Ｄは、
Ｄ＝ｄ（Ｌ−ｂ）/ｂ ・・・（８）
と表される。
ここで、１/ｂ−１/Ｌ＝−１/ｆより
ｂ＝ｆＬ（ｆ−Ｌ） ・・・（９）
となることから、上記の（８）式は、
Ｄ＝−ｄＬ/ｆ ・・・（１０）
と表すことができる。即ち、レンズアレイ１２から、細かいレンズアレイ１３の凹レンズの焦点距離−ｆの絶対値のｎ倍だけ当該細かいレンズアレイ１３を離すことにより、上記の凹レンズの径ｄのｎ倍の幅（範囲）をぼかすことができる。
即ち、前述の凸レンズから成る細かいレンズアレイ１３と同様に、凹レンズから成る細かいレンズアレイ１３を離間する距離によって、提示像に生じさせるぼけ量を調整・制御することが可能である。
【００３９】
このように、細かいレンズアレイ１３は、凸レンズで構成したものでも、凹レンズで構成したものであっても提示像を適当にぼかすことができ、不自然な運動視差を抑制することができる。
【００４０】
ＣＩＶＩにより、奥行き幅Ｗを有する多層像面を提示したいときには、焦点距離がｆ＝Ｗ/２の凸レンズから構成されるフライアイレンズ、または焦点距離がｆ＝−Ｗ/２の凹レンズから構成されるフライアイレンズ即ち細かいレンズアレイ１３を上記の多層像面の奥行き側（観察者１５側）に配置し、特に多層像面の中央部分に細かいレンズアレイ１３が掛かるように配置する。
また、レンズアレイ１２を構成する各レンズの継ぎ目部分等を通過した光についてぼかしたい幅（範囲）をＤとしたとき、レンズ径がｄの各レンズによって構成された細かいレンズアレイ１３から、Ｄ/ｄｆの絶対値以上の距離で離れている位置に上記のレンズ継ぎ目部分等（レンズアレイ１２）の面を配置する。
【００４１】
上記の（５）式、（１０）式から分かるように、細かいレンズアレイ１３の各レンズは、レンズ径ｄが小さい程、ぼかしが弱くなる。一方、このレンズ径ｄが大きい程、提示した立体像の解像度は低下する。このことから、観察者１５には適当なぼけ量を有する立体像が視えるようにレンズ径ｄを設定し、また焦点距離ｆを設定する。
また、細かいレンズアレイ１３の配置は実像の結像位置に近い程良く、結像位置から大きく離れて配置すると、実像の結像位置から大きく外れる光が多くなって立体像が全体的にぼけてしまう。
そこで、観察者１５には適度のぼけ量を有する立体像が視えるように、細かいレンズアレイ１３の位置を移動する移動機構部を立体画像表示装置に備えてもよい。この場合、観察者１５等の操作に応じて、レンズアレイ１２等と観察者１５とを結ぶ直線上を移動するように上記の移動機構部を構成する。
【００４２】
ここまで説明した立体画像表示装置は、一枚の細かいレンズアレイ１３を備えたものであるが、細かいレンズアレイを複数重ね合わせて多層化し、例えば一枚のレンズでは難しい焦点距離が得られるように構成してもよい。なお、この場合においても、各細かいレンズアレイを移動させる移動機構部を備え、所望の結像位置において適当なぼけ量が生じるように各レンズアレイの位置を調整し、鮮明な立体像が視えるようにしてもよい。
【００４３】
また、粗インテグラルボリュメトリックイメジング（ＣＩＶＩ）による立体像の提示を行う立体画像表示装置に、前述のレンズアレイ１２ならびに細かいレンズアレイ１３を備えることも可能である。
このとき用いられるディスプレイパネル１０は、複数の表示面を多層化して備えており、ディスプレイ制御器１１の制御によって、結像時に重なることにより立体像（実像）になる複数の画像を上記の各表示面にそれぞれ表示させるように構成され、例えば４つの表示面を備え、ディスプレイ制御器１１は、各表示面にそれぞれ異なる画像を表示させる。
【００４４】
また、ＣＩＶＩで使用されるレンズアレイ１２は、当該レンズアレイ１２を構成する各レンズが、ディスプレイパネル１０に表示される画素のうち、常に複数の画素が観察者１５に観察される程度以上に十分大きな径を持つ。
この装置では、細かいレンズアレイ１３の位置もしくはその近傍において、複数の実像が重なるように結像し、観察者１５には一つの立体像として視えるように提示される。
【００４５】
図８は、立体画像表示装置によって結像された立体像を示す説明図である。図示した各立体像は、同様な仕様の立体画像表示装置によりＣＩＶＩを用いて結像させたもので、図８（ａ）は、細かいレンズアレイ１３を除いた装置によって提示された立体像（観察像）を示している。図８（ｂ）は、細かいレンズアレイ１３を備えた本発明の装置によって提示された立体像（観察像）を示している。
図８（ａ）に示す観察像にはモアレ縞や前述のレンズ継ぎ目部分による影響などが含まれているが、図８（ｂ）に示す観察像にはこれらを確認することができず、滑らかな立体像が形成されている。
【００４６】
図８（ｃ）〜（ｅ）は、上記の細かいレンズアレイ１３を備えた装置によって提示された立体像を多方向から視たときの観察像を示している。図８（ｃ）は左視点において視える観察像であり、図８（ｄ）は上視点において視える観察像であり、図８（ｅ）は右視点において視える観察像である。細かいレンズアレイ１３によって、適当なぼけ量を与えることにより、多方向から視た場合でも一様な鮮明さを有する立体像を提示することができ、また、運動視差が滑らかになり、観察者に不快感を生じさせることを抑えることができる。
【実施例２】
【００４７】
図９は、本発明の実施例２による立体画像表示装置を示す説明図である。この図は、実施例１の説明で用いた図４等に示したものと同一または相当する部分に同じ符号を使用している。
実施例２による立体画像表示装置は、大口径レンズ４０を備えた以外は、図３に示したものと概ね同様に構成されている。ここでは、実施例１で説明した立体画像表示装置と同様に構成された部分の重複説明を省略する。
大口径レンズ４０は、例えばフレネルレンズから成り、レンズアレイ１２と細かいレンズアレイ１３との間において、レンズアレイ１２の近傍に配置されている。大口径レンズ４０は、細かいレンズアレイ１３の位置で結像する実像２０に生じる収差を抑えるように、レンズアレイ１２から出射される光を整える。
【００４８】
細かいレンズアレイ１３において結像している実像２０は、前述のように大口径レンズ４０により収差が抑制されており、また、細かいレンズアレイ１３によって、レンズアレイ１２のレンズ継ぎ目等において生じる不自然な部分がぼけていることから、観察者に生じる不連続な運動視差が軽減され、またモアレ縞などが抑えられた鮮明な立体像が視える。
【００４９】
上述のように大口径レンズ４０を備えた場合でも、ディスプレイパネル１０を複数の表示面を備えて構成し、ＣＩＶＩによる立体像の提示を行うことも可能である。また、実施例２による立体画像表示装置に備える細かいレンズアレイ１３は、フライアイレンズであっても目の細かいレンチキュラレンズであっても同様な作用効果が得られる。
【実施例３】
【００５０】
図１０は、本発明の実施例３による立体画像表示装置を示す説明図である。この図は、実施例１の説明で用いた図４、図９等に示したものと同一または相当する部分に同じ符号を使用している。
実施例３による立体画像表示装置は、図３に示したものと概ね同様に構成されている。ここでは、実施例１で説明した立体画像表示装置と同様に構成された部分の重複説明を省略する。
【００５１】
実施例３の立体画像表示装置に用いられるディスプレイパネル１０は、複数の表示面を重ねて備え、図１０では図示を省略したディスプレイ制御器１１の制御により上記の各表示面に異なる画像を表示するように構成されている。
また、この立体画像表示装置は、実施例２の立体画像表示装置に、さらに例えばフレネルレンズからなる大口径レンズ５０、５１を備えたものである。大口径レンズ５０、５１は、細かいレンズアレイ１３の出射側に配置されている。
なお、実施例１の立体画像表示装置のように大口径レンズ４０を有していないものに、大口径レンズ５０、５１を備えてもよい。
【００５２】
ディスプレイパネル１０の各表示面に表示された各画像光は、レンズアレイ１２に入射し、当該レンズアレイ１２は、この光を細かいレンズアレイ１３の位置で多層の実像２０として結像するように集光する。さらに、大口径レンズ４０は、細かいレンズアレイ１３から出射された光を入射し、結像の際に生じる収差を抑制するように屈折させる。
細かいレンズアレイ１３の位置において結像した多層の実像２０は、大口径レンズ５０、５１によって拡大される。この大口径レンズ５０、５１は、入射した光（多層の実像２０）を屈折させ、観察者の視界内の空中において多層の実像２１が結像するように出射する。
【００５３】
実施例３の立体画像表示装置は、上記のように複数の表示面を有するディスプレイパネル１０を備え、各表示面に表示された画像をレンズアレイ１２で集光し、細かいレンズアレイ１３の位置において多層の実像２０を結像させている。換言すると、奥行きが凝縮された多層の実像面に細かいレンズアレイ１３が配置されており、結像した多層の実像２０のぼける部分を小さく抑えながら、観察者に生じる輻輳調節矛盾や不連続な運動視差を軽減させている。
また、この多層の実像２０を、大口径レンズ５０、５１を用いて拡大し、例えば空中に多層の実像２１を結像させ、観察者には奥行の深い立体像が空中に浮き上がって視えるように提示することが可能であり、立体画像表示装置から離れた空中に浮き上がった立体像を提示することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明による立体画像表示装置は、アミューズメントなどのアトラクションに用いられる表示装置やゲーム機器など、提示した立体画像を裸眼で視覚させる機器などに適している。
【符号の説明】
【００５５】
１、５、１０ディスプレイパネル
２、３要素レンズ
６粗レンズアレイ
７、４０、５０、５１大口径レンズ
８、２０、２１実像
９、１５観察者
１１ディスプレイ制御器
１２レンズアレイ
１３細かいレンズアレイ
３０継ぎ目部分
３１集光位置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画像を表示するディスプレイパネルと、
前記ディスプレイパネルの表示動作を制御するディスプレイ制御部と、
複数のレンズからなり、前記各レンズにより前記ディスプレイに表示された各画像を各々集光して立体像を結像させる第１レンズアレイと、
前記第１レンズアレイのレンズよりも小さな複数のレンズから成る第２レンズアレイと、
を備え、
前記第２レンズアレイは、
前記第１レンズアレイを通過した光のうち立体像の観察者に不連続な運動視差を生じさせる部分の光がぼけるように前記第１レンズアレイから離間される
ことを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項２】
前記第２レンズアレイは、
該第２レンズアレイのレンズ径をｄ、該レンズの焦点距離をｆ、前記第１レンズアレイを通過する光のぼかしたい範囲をＤとしたとき、Ｄ／ｄｆの絶対値以上の距離を前記第１レンズアレイからあけて配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の立体画像表示装置。
【請求項３】
前記第２レンズアレイは、
複数のレンズアレイを重ね合わせて成る
ことを特徴とする請求項１または２に記載の立体画像表示装置。
【請求項４】
前記第２のレンズアレイを移動させる移動機構部をさらに備え、
前記移動機構部は、
前記立体像の観察者の操作に応じて前記第１レンズアレイと前記第２レンズアレイとの間の距離を調整する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の立体画像表示装置。
【請求項５】
前記ディスプレイパネルは、多層化された複数の表示面を有し、
前記ディスプレイ制御部は、
合成したときに立体像をなす各画像を前記各表示面に各々表示させ、
粗インテグラルボリュメトリックイメジングによって立体像を提示することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の立体画像表示装置。
【請求項６】
前記第１のレンズアレイによって結像される立体像の収差を抑制する第１大口径レンズを前記第１レンズアレイの出射側に配置した
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の立体画像表示装置。
【請求項７】
前記第２レンズアレイの出射側に配置された第２大口径レンズをさらに備え、
前記第１レンズアレイは、前記第２レンズアレイの近傍で立体像を結像させ、
前記第２大口径レンズは、前記第２レンズアレイの近傍で結像した立体像を拡大することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の立体画像表示装置。
【請求項１】
複数の画像を表示するディスプレイパネルと、
前記ディスプレイパネルの表示動作を制御するディスプレイ制御部と、
複数のレンズからなり、前記各レンズにより前記ディスプレイに表示された各画像を各々集光して立体像を結像させる第１レンズアレイと、
前記第１レンズアレイのレンズよりも小さな複数のレンズから成る第２レンズアレイと、
を備え、
前記第２レンズアレイは、
前記第１レンズアレイを通過した光のうち立体像の観察者に不連続な運動視差を生じさせる部分の光がぼけるように前記第１レンズアレイから離間される
ことを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項２】
前記第２レンズアレイは、
該第２レンズアレイのレンズ径をｄ、該レンズの焦点距離をｆ、前記第１レンズアレイを通過する光のぼかしたい範囲をＤとしたとき、Ｄ／ｄｆの絶対値以上の距離を前記第１レンズアレイからあけて配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の立体画像表示装置。
【請求項３】
前記第２レンズアレイは、
複数のレンズアレイを重ね合わせて成る
ことを特徴とする請求項１または２に記載の立体画像表示装置。
【請求項４】
前記第２のレンズアレイを移動させる移動機構部をさらに備え、
前記移動機構部は、
前記立体像の観察者の操作に応じて前記第１レンズアレイと前記第２レンズアレイとの間の距離を調整する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の立体画像表示装置。
【請求項５】
前記ディスプレイパネルは、多層化された複数の表示面を有し、
前記ディスプレイ制御部は、
合成したときに立体像をなす各画像を前記各表示面に各々表示させ、
粗インテグラルボリュメトリックイメジングによって立体像を提示することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の立体画像表示装置。
【請求項６】
前記第１のレンズアレイによって結像される立体像の収差を抑制する第１大口径レンズを前記第１レンズアレイの出射側に配置した
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の立体画像表示装置。
【請求項７】
前記第２レンズアレイの出射側に配置された第２大口径レンズをさらに備え、
前記第１レンズアレイは、前記第２レンズアレイの近傍で立体像を結像させ、
前記第２大口径レンズは、前記第２レンズアレイの近傍で結像した立体像を拡大することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の立体画像表示装置。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図８】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−８００６４（Ｐ２０１３−８００６４Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１９５２７（Ｐ２０１１−２１９５２７）
【出願日】平成２３年１０月３日（２０１１．１０．３）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３日（２０１１．１０．３）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
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