３次元表示装置
【課題】複数の２次元像がズレた状態の画像を観察者に観察させることなく、綺麗な３次元立体像のみを観察者に提示する。
【解決手段】観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面に２次元像をそれぞれ表示して３次元立体像を表示する３次元表示装置において、観察者の方向を中心とした狭い範囲のみから観察できる視域限定装置を有する。前記視域限定装置は、前記観察者から光学的に見て前記表示面の後方に配置されるバックライトの照射光の指向性を、前記観察者の方向を中心に狭くする装置である。または、前記視域限定装置は、前記観察者の方向以外の光を遮る装置である。あるいは、前記視域限定装置は、前記観察者の方向以外の光を前記観察者の方向へ集光させる装置である。
【解決手段】観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面に２次元像をそれぞれ表示して３次元立体像を表示する３次元表示装置において、観察者の方向を中心とした狭い範囲のみから観察できる視域限定装置を有する。前記視域限定装置は、前記観察者から光学的に見て前記表示面の後方に配置されるバックライトの照射光の指向性を、前記観察者の方向を中心に狭くする装置である。または、前記視域限定装置は、前記観察者の方向以外の光を遮る装置である。あるいは、前記視域限定装置は、前記観察者の方向以外の光を前記観察者の方向へ集光させる装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元表示装置に係り、特に、ＤＦＤ（Depth-Fused3-D）方式の３次元表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制でき、かつ、簡便に、立体メガネを用いないで３次元表示が可能な、ＤＦＤ方式の３次元表示装置を提案している（例えば、特許文献１、２参照）。
前述した提案済みの３次元表示装置は、複数の表示面に２次元像を表示し、この複数の表示面に表示される２次元像の、輝度あるいは透過度を各表示面毎に変化させて３次元立体像を表示するものである。
【０００３】
なお、本願発明に関連する先行技術文献としては以下のものがある。
【特許文献１】特許第３０２２５５８号明細書
【特許文献２】特許第３４６０６７１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述した３次元表示方法では、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面に表示される２次元画像が重なり合うことで３次元立体像が表示される。
しかしながら、観察者が、この重なり合う視点以外から観察した場合には、３次元立体像としてではなく、複数の２次元像がズレた状態で、画質の悪い画像を観察することとなる。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、３次元表示装置において、複数の２次元像がズレた状態の画像を観察者に観察させることなく、綺麗な３次元立体像のみを観察者に提示することが可能となる技術を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、３次元表示装置において、各表示面での発光光、あるいは各表示面を透過する透過光を、観察者を中心とした狭い範囲のみに効率よく集中させることで、各表示面を構成する自発光型表示装置に画像を表示するための消費電力、あるいは、各表示面を構成する透過型表示装置を照射するバックライトを点灯させるために必要な消費電力を大幅に削減することが可能となる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
前述の課題を解決するために、本発明は、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面に２次元像をそれぞれ表示して３次元立体像を表示する３次元表示装置において、観察者の方向を中心とした狭い範囲のみから観察できる視域限定装置を有することを特徴とする。
また、本発明では、前記３次元表示装置は、前記各表示面に対して表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した２次元像を、それぞれの表示面に表示し、当該表示される２次元像の輝度あるいは透過度を前記各表示面毎にそれぞれ独立に変化させて、３次元立体像を表示する。
【０００６】
また、本発明では、前記視域限定装置は、前記観察者から見て最前面の表示面と、前記観察者との間に、あるいは、前記観察者から光学的に見て前記各表示面の前方に配置される。
また、本発明では、前記表示面が背面からの光を透過する透過型の場合に、前記視域限定装置は、前記観察者から見て最後面の表示面の後方、あるいは、前記観察者から光学的に見て前記各表示面の後方に配置される。
また、本発明では、前記視域限定装置は、前記表示面の後方に配置されるバックライトの照射光の指向性を、前記観察者の方向を中心に狭くする装置である。
また、本発明では、前記視域限定装置は、前記観察者の方向以外の光を遮る装置である。
また、本発明では、前記視域限定装置は、前記観察者の方向以外の光を前記観察者の方向へ集光させる装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）本発明の３次元表示装置によれば、複数の２次元像が重なり合う視点方向からのみ観察できるようにしたので、複数の２次元像がズレた状態の画像を観察者に観察させることなく、綺麗な３次元画像のみを観察者に提示することが可能となる。
（２）本発明の３次元表示装置によれば、各表示面での発光光、あるいは各表示面を透過する透過光を、観察者を中心とした狭い範囲のみに効率よく集中させることができるので、各表示面を構成する自発光型表示装置に画像を表示するための消費電力、あるいは、各表示面を構成する透過型表示装置を照射するバックライトを点灯させるために必要な消費電力を大幅に削減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［ＤＦＤ型の３次元表示装置の一例］
図８は、ＤＦＤ型の３次元表示装置の一例を説明するための図である。
図８に示す３次元表示装置は、観察者１００の前面に複数の面、例えば、表示面（１１，１２）（表示面１１が表示面１２より観察者１００に近い）を設定し、これらの表示面（１１，１２）に複数の２次元像を表示するために、２次元表示装置と種々の光学素子を用いて光学系１３を構築する。
前記２次元表示装置としては、例えば、ＣＲＴ、液晶ディスプレイパネル、ＬＥＤディスプレイパネル、プラズマディスプレイパネル、ＥＬディスプレイパネル、ＦＥＤディスプレイパネル、ＤＭＤ、プロジェクション方式ディスプレイパネル、オシロスコープのような線描画型ディスプレイなどを用い、光学素子としては、例えば、レンズ、全反射鏡、部分反射鏡、曲鏡、プリズム、偏光素子、波長板などを用いる。
なお、図８は、前述の特許文献１に記載されているものと同じ構成のものであり、また、この表示面の設定方法については、前述の特許文献１を参照されたい。
図８に示す３次元表示装置では、図９に示すように、観察者１００に提示したい３次元物体１６を、観察者１００の両眼の視線方向から、前述の表示面（１１，１２）へ射影した像（以下、「２Ｄ化像」と呼ぶ）（１４，１５）を生成する。
この２Ｄ化像の生成方法としては、例えば、視線方向から３次元物体１６をカメラで撮影した２次元像を用いる方法、あるいは別の方向から撮影した複数枚の２次元像から合成する方法、あるいはコンピュータグラフィックによる合成技術やモデル化を用いる方法など種々の方法がある。
【０００９】
図８に示すように、前記２Ｄ化像（１４，１５）を、各々表示面１１と表示面１２の双方に、観察者１００の右眼と左眼とを結ぶ線上の一点から見て重なるように表示する。これは、例えば、２Ｄ化像（１４，１５）の各々の中心位置や重心位置の配置と、各々の像の拡大・縮小を制御することで可能となる。
かかる構成を有する装置上で、２Ｄ化像（１４，１５）の各々の輝度を、観察者１００から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、３次元物体１６の奥行き位置に対応して変えることで、３次元物体１６の３次元立体像を表示する。
その２Ｄ化像（１４，１５）の各々の輝度の変え方の一例について説明する。なお、ここでは、白黒図面であるため、分かりやすいように、以下の図面では、輝度の高い方を濃く示してある。
例えば、３次元物体１６が表示面１１上にある場合には、図１０に示すように、この上の２Ｄ化像１４の輝度を３次元物体１６の輝度に等しくし、表示面１２上の２Ｄ化像１５の輝度はゼロとする。
次に、例えば、３次元物体１６が観察者１００より少し遠ざかって表示面１１より表示面１２側に少し寄った位置にある場合には、図１１に示すように、２Ｄ化像１４の輝度を少し下げ、２Ｄ化像１５の輝度を少し上げる。
【００１０】
次に、例えば、３次元物体１６が観察者１００よりさらに遠ざかって表示面１１より表示面１２側にさらに寄った位置にある場合には、図１２に示すように、２Ｄ化像１４の輝度をさらに下げ、２Ｄ化像１５の輝度をさらに上げる。
さらに、例えば、３次元物体１６が表示面１２上にある場合には、図１３に示すように、この上の２Ｄ化像１５の輝度を３次元物体１６の輝度に等しくし、表示面１１上の２Ｄ化像１４の輝度はゼロとする。
このように表示することにより、観察者（人）１００の生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示しているのが２Ｄ化像（１４，１５）であっても、観察者１００にはあたかも表示面（１１，１２）の中間に３次元物体１６が位置しているように感じられる。
例えば、表示面（１１，１２）にほぼ等輝度の２Ｄ化像（１４，１５）を表示した場合には、表示面（１１，１２）の奥行き位置の中間付近に３次元物体１６があるように感じられる。この場合に、この３次元物体１６は、観察者１００には立体感を伴って知覚される。
【００１１】
なお、前記説明においては、例えば、３次元物体全体の奥行き位置を、例えば、表示面（１１，１２）に表示した２次元像を用いて表現する方法について主に述べたが、図８に示す３次元表示装置は、例えば、３次元物体自体が有する奥行きを表現する方法としても使用できることは明らかである。
３次元物体自体が有する奥行きを表現する場合における重要な要点は、図８に示す構成を有する装置上で、２Ｄ化像（１４，１５）の各々の部位の輝度を、観察者１００から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、３次元物体１６の各部位が有する奥行き位置に対応して変えることである。
なお、前述の説明では、２次元像を配置する面の中で主に２つの面に関してのみ記述し、かつ観察者に提示する物体が２つの面の間にある場合について述べたが、２次元像を配置する面の個数がこれよりも多く、あるいは提示する物体の位置が異なる場合であっても、同様な手法により３次元立体像を表示することが可能であることは明らかである。
例えば、面が３つで、観察者１００に近い面と、中間の面との間に第１の３次元物体が、中間の面と、観察者１００に遠い面との間に第２の３次元物体が存在する場合には、観察者１００に近い面と、中間の面とに、第１の３次元物体の２Ｄ化像を表示し、中間の面と、観察者１００に遠い面とに第２の３次元物体の２Ｄ化像を表示することで、第１および第２の３次元物体の３次元立体像を表示することができる。
【００１２】
さらに、２Ｄ化像が３次元的に移動する場合に関しては、観察者の左右上下方向への移動に関しては通常の２次元表示装置の場合と同様に表示面内での動画再生によって可能であり、奥行き方向への移動に関しては、２Ｄ化像（１４，１５）の各々の輝度を、観察者１００から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、３次元立体像の奥行き位置の時間的変化に対応して変化させることにより、３次元像の動画を表現できることは明らかである。
例えば、３次元立体像が表示面１１より表示面１２まで時間的に移動する場合について説明する。
３次元立体像が表示面１１上にある場合には、図１０に示すように、表示面１１上の２Ｄ化像１４の輝度を３次元立体像の輝度に等しくし、表示面１２上の２Ｄ化像１５の輝度はゼロとする。
次に、例えば、３次元立体像が、次第に観察者１００より時間的に少し遠ざかり、表示面１１より表示面１２側に時間的に少し寄ってくる場合には、図１１に示すように、３次元立体像の奥行き位置の移動に対応させて２Ｄ化像１４の輝度を時間的に少し下げ、かつ２Ｄ化像１５の輝度を時間的に少し上げる。
【００１３】
次に、例えば、３次元立体像が観察者１００より時間的にさらに遠ざかり、表示面１１より表示面１２側にさらに寄った位置に時間的に移動する場合には、図１２に示すように、３次元立体像の奥行き位置の移動に対応させて２Ｄ化像１４の輝度を時間的にさらに下げ、かつ２Ｄ化像１５の輝度を時間的にさらに上げる。
さらに、例えば、３次元立体像が表示面１２上まで時間的に移動してきた場合には、図１３に示すように、３次元立体像の奥行き位置の移動に対応させてこの上の２Ｄ化像１５の輝度を３次元立体像の輝度に等しくなるまで時間的に変化させ、かつ表示面１１上の２Ｄ化像１４の輝度がゼロとなるまで変化させる。
このように表示することにより、人の生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示しているのが２Ｄ化像（１４，１５）であっても、観察者１００にはあたかも表示面（１１，１２）の間を、表示面１１から表示面１２に３次元立体像が奥行き方向に移動するように感じられる。
【００１４】
なお、前述の説明では、３次元立体像が表示面１１から表示面１２まで移動する場合について述べたが、これが表示面（１１，１２）の間の途中の奥行き位置から表示面１２まで移動する場合や、表示面１１から表示面（１１，１２）の間の途中の奥行き位置まで移動する場合や、表示面（１１，１２）の間の途中の奥行き位置から表示面（１１，１２）の間の途中の別な奥行き位置まで移動する場合であっても、同様なことが可能なことは明らかである。
なお、前述の説明では、２Ｄ化像を配置する面の中で主に２つの面に関してのみ記述し、かつ観察者１００に提示する３次元立体像が２つの面の間を移動する場合について述べたが、２次元像を配置する面の個数がこれよりも多く、あるいは提示する３次元物体が複数の面をまたがって移動する場合であっても、同様な手法により、３次元立体像を表示可能であり、同様な効果が期待できることは明らかである。
また、前述の説明では、１個の３次元立体像が２次元像を配置する二つの面内で移動する場合について説明したが、複数個の３次元物体が移動する場合、即ち、表示される２次元像が、それぞれ移動方向の異なる複数の物体像を含む場合には、各表示面に表示される物体像の輝度を、物体像毎に、その物体の移動方向および移動速度に応じて変化させればよいことは明らかである。
【００１５】
［ＤＦＤ型の３次元表示装置の他の例］
図１４は、本発明の前提となるＤＦＤ型の３次元表示装置の他の例を説明するための図である。
図１４に示す３次元表示装置は、観察者１００の前方に、複数の透過型表示装置、例えば、透過型表示装置（２１，２２）（透過型表示装置２１が透過型表示装置２２より観察者１００に近い）と、種々の光学素子と、光源２３を用いて光学系１３を構築する。即ち、本実施例では、前述の図８における表示面（１１，１２）に代えて、透過型表示装置（２１，２２）を用いるものである。
前記透過型表示装置（２１，２２）としては、例えば、ツイストネマティック型液晶ディスプレイパネル、イン・プレイン型液晶ディスプレイパネル、ホモジニアス型液晶ディスプレイパネル、強誘電液晶ディスプレイパネル、ゲスト−ホスト型液晶ディスプレイパネル、高分子分散型液晶ディスプレイパネル、ホログラフィック高分子分散型液晶ディスプレイパネル、あるいはこれらの組み合わせなどを使用する。また、光学素子としては、例えば、レンズ、全反射鏡、部分反射鏡、曲面鏡、プリズム、偏光素子、波長板などを用いる。
なお、図１４では、バックライト（光源）２３が、観察者１００から見て最も後方に配置された場合を示し、また、図１４は、前述の特許文献２に記載されているものと同じ構成のものである。
【００１６】
図１４に示す３次元表示装置においても、前述の図９に示すように、観察者１００に提示したい３次元物体１６を、観察者１００から見て、前記透過型表示装置（２１，２２）へ射影した２Ｄ化像（１４，１５）を生成する。
前記２Ｄ化像（１４，１５）を、図１４に示すように、各々透過型表示装置２１と透過型表示装置２２との双方に、観察者１００の右眼と左眼を結ぶ線上の一点から見て重なるように、２Ｄ化像（１４，１５）として表示する。
これは、例えば、２Ｄ化像（１４，１５）の各々の中心位置や重心位置の配置と、各々の像の拡大／縮小率を制御することで可能となる。
前記構成を有する装置上で、観察者１００が見る像は、光源２３から射出された光で、２Ｄ化像１５を透過し、さらに２Ｄ化像１４を透過した光によって生成される。
図１４に示す３次元表示装置では、前記構成を有する装置上で、２Ｄ化像（１４，１５）の各々の透過度の配分を、観察者１００から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、３次元物体１６の奥行き位置に対応して変えて、透過型表示装置２１と透過型表示装置２２との間に存在する３次元物体の３次元立体像を表示する。
【００１７】
その２Ｄ化像（１４，１５）の各々の透過度の変え方の一例について説明する。
例えば、３次元物体１６が透過型表示装置２１上にある場合には、透過型表示装置２１上の透過度を、２Ｄ化像１４の輝度が３次元物体１６の輝度に等しくなるように設定し、透過型表示装置２２上の２Ｄ化像１５の部分の透過度を、例えば、その透過型表示装置２２の最大値とする。
次に、例えば、３次元物体１６が観察者１００より少し遠ざかって、透過型表示装置２１より透過型表示装置２２側に少し寄った位置にある場合には、透過型表示装置２１上の２Ｄ化像１４の部分の透過度を少し増加させ、透過型表示装置２２上の２Ｄ化像１５の部分の透過度を少し減少させる。
次に、例えば、３次元物体１６が観察者１００よりさらに遠ざかって、透過型表示装置２１より透過型表示装置２２側にさらに寄った位置にある場合には、透過型表示装置２１上の２Ｄ化像１４の部分の透過度をさらに増加させ、透過型表示装置２２上の２Ｄ化像１５の部分の透過度をさらに減少させる。
さらに、例えば、３次元物体１６が透過型表示装置２２上にある場合には、透過型表示装置２２上の透過度を、２Ｄ化像１５の輝度が３次元物体１６の輝度に等しくなるように設定し、透過型表示装置２１上の２Ｄ化像１４の部分の透過度を、例えば、透過型表示装置２１の最大値とする。
【００１８】
このように表示することにより、観察者（人）１００の生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示しているのが２Ｄ化像（１４，１５）であっても、観察者１００にはあたかも透過型表示装置（２１，２２）の中間に３次元物体１６が位置しているように感じられる。
即ち、例えば、透過型表示装置（２１，２２）にほぼ等輝度の２Ｄ化像（１４，１５）を表示した場合には、透過型表示装置（２１，２２）の奥行き位置の中間付近に３次元物体１６があるように感じられる。この場合に、この３次元物体１６は、観察者１００には立体感を伴って知覚される。
なお、前述の説明においては、例えば、３次元物体全体の奥行き位置を、例えば、透過型表示装置（２１，２２）に表示した２次元像を用いて表現する方法について主に述べたが、図１４に示す３次元表示装置においても、図８に示す３次元表示装置で説明した方法と同様の手法により、例えば、３次元物体自体が有する奥行きを表現する方法としても使用できることは明らかである。
また、図１４に示す３次元表示装置においても、図８に示す３次元表示装置で説明した方法と同様の手法により、２Ｄ化像が３次元的に移動する場合には、観察者１００の左右上下方向への移動に関しては通常の２次元表示装置の場合と同様に透過型表示装置内での動画再生によって可能であり、また、奥行き方向への移動に関しては、複数の透過型表示装置における透過度の変化を時間的に行うことで、３次元立体像の動画を表現することができることは明らかである。
【００１９】
［図１４に示す３次元表示装置の変形例］
図１５は、図１４に示す３次元表示装置の変形例を説明するための図である。
図１５に示す３次元表示装置では、偏光板３０と、偏光板３６との間に、透過型表示装置２１と、散乱板３３と、透過型表示装置２２とが配置される。
透過型表示装置２１は、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル３２と、カラーフィルタ３１とで構成され、同様に、透過型表示装置２２は、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル３５と、カラーフィルタ３４とで構成される。
また、偏光板３６の後方（偏光板３６の透過型表示装置２２と反対の側）に、光源（バックライト）２３が配置される。
ここで、液晶表示パネル（３２，３５）は、ツイストネマティック型液晶ディスプレイパネル、イン・プレイン型液晶ディスプレイパネル、ホモジニアス型液晶ディスプレイパネル、強誘電液晶ディスプレイパネル、反強誘電液晶ディスプレイパネルなどから偏光板を取り除いた装置で構成される。
液晶表示パネル（３２，３５）は、各画素単位で、偏光の方向を変化できるので、出射光の偏光方向と、出射側の偏光板の偏光方向により、出射する光の強度を変化でき、全体として光の透過度を変化させることができる。
したがって、液晶表示パネル（３２，３５）の各画素単位に、通過する光の偏光方向を制御することにより、液晶表示パネル３２および液晶表示パネル３５毎に、独立に透過度を変化させることができる。
【００２０】
図１５に示す３次元表示装置でも、前述した手法により、透過型表示装置（２１，２２）上、あるいは、透過型表示装置２１と透過型表示装置２２との間の任意の位置に、３次元立体像を表示することが可能である。
しかも、図１５に示す３次元表示装置では、液晶表示パネル（３２，３５）を、２枚の偏光板（３０，３６）で挟むようにしたので、透過型表示装置として、両側に偏光板を設けた液晶表示パネルを使用する場合に比して、光源２３からの照射光の光路中に挿入される偏光板の数を少なくすることができ、表示が暗くなるのを防止することができる。
また、図１５に示す３次元表示装置では、各液晶表示パネル（３２，３５）の各画素単位に、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の３色から成るカラーフィルタ（３１，３４）を配置するようにしたので、カラー画像の３次元立体像を表示することができる。
但し、図１５に示す３次元表示装置では、偏光方向が、液晶表示パネル３２と液晶表示パネル３５とを通過する間に変化することを考慮して、各液晶表示パネル（３２，３５）の偏光方向の制御を行う必要がある。
図１５に示す３次元表示装置では、各透過型表示装置（２１，２２）は、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル（３２，３５）と、カラーフィルタ（３１，３４）とで構成される。そのため、カラーフィルタ３１と、カラーフィルタ３４とにおける、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の各フィルタの配列方向、配列ピッチ等の違いにより、モアレが発生する恐れがある。
そのため、図１５に示す３次元表示装置では、カラーフィルタ３１とカラーフィルタ３４との間に、散乱板３３を配置し、前述したモアレが発生するのを防止するようにしている。
【００２１】
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１の３次元表示装置の概略構成を示す要部断面図である。
本実施例の３次元表示装置は、表示面を構成する透過型表示装置を複数個重ね合わせた構成を基本とする。そして、図１に示すように、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の透過型表示装置（１１１，１１２）の最前面（観察者から見て最前面）の透過型表示装置１１１と、観察者１０１との間に、透過型表示装置（１１１，１１２）の正面付近以外からの光を制限する視域限定装置１２１を配置する。
これにより、観察者１０１の方向からは透過型表示装置（１１１，１１２）を用いた３次元表示装置の３次元像が観察できるが、観察者（１０２，１０３）の方向からは観察することができなくなる。
従来、複数の透過型表示装置を積層した３次元表示装置では、画像が重なり合う正面付近以外から観察すると、各々の表示装置の画像の間に隙間が見えてしまったり、各々の画像が重なり合ってしまったりして、本来の３次元画像とは異なったズレた画像が観察者に観察されてしまう。
本実施例では、この本来の３次元画像以外の視線方向を制限することで、観察者には綺麗な、本来の３次元画像のみを見せることが可能となる。
なお、図１では、透過型表示装置（１１１，１１２）の正面から画像が重なる場合について説明しているが、各々の画像を正面以外から重ね合わせている場合には、その重なり合う視線方向以外を制限することで、本来の３次元画像のみを観察可能である。
【００２２】
図２は、本発明の実施例１の３次元表示装置の変形例の概略構成を示す要部断面図である。図２に示す３次元表示装置は、非透過な表示装置（２１１，２１２）を複数枚重ね合わせた構成を基本構成とするものであり、図２では、光を反射と透過の両方を行うことができるハーフミラー（２３１，２３２）を用いて、非透過な表示装置（２１１，２１２）を光学的に複数重ね合わせている。なお、非透過な表示装置（２１１，２１２）は表示面を構成する。
そして、視域限定装置（２２１，２２２）を、それぞれ非透過な表示装置（２１１，２１２）の前方（観察者から光学的に見て前方）にそれぞれ配置し、観察できる視線方向を制限している。これにより、図１に示す透過型表示装置と同様に、非透過型表示装置でも同様な効果を実現できる。
本実施例の視域限定装置は、図３に示す視域限定装置５２１のように、表示装置に垂直な方向に壁を立てて他方向からの視線を遮るルーバー５１１などで構成できる。
また、レンズやプリズムなどの光学系にて観察者の方向に集光して観察範囲に指向性を持たせることも可能である。即ち、視域限定装置は、単に所望の視域以外を遮蔽して制限するものだけでなく、他の視域方向への光を所望の方向に集めることで、光の利用効率を高めることも可能である。
例えば、非透過な表示装置（２１１，２１２）が自発光型表示装置の場合には、発光光の全てを、中心付近のみの角度方向へ集光することで、自発光型表示装置の消費電力を大幅に削減することも可能である。
さらに、図４に示すように、例えば、表示装置６３１の前面に、画素毎に対応したマイクロレンズ６１１を用いた視域限定装置６２１を配置し、表示装置６３１から出射した光を観察者の方向に集光することで実現することもできる。
【００２３】
［実施例２］
図５は、本発明の実施例２の３次元表示装置の概略構成を示す要部断面図である。
本実施例の３次元表示装置も、透過型表示装置を複数個重ね合わせた構成を基本とする。そして、図５に示すように、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の透過型表示装置（３１１，３１２）の最後面（観察者から見て最後面）の後ろに、視域限定装置３２１を配置する。
透過型表示装置は、背面からの光を透過させることで表示を行うことから、背面から来る光の範囲を視域限定装置３２１にて制限することで、複数の透過型表示装置（３１１，３１２）の画像が重なり合う方向のみから観察可能としている。
これにより、観察者３０１の方向からは透過型表示装置（３１１，３１２）を用いた３次元表示装置の３次元像が観察できるが、観察者（３０２，３０３）の方向からは観察することができなくなる。
図６は、本発明の実施例２の３次元表示装置の変形例の概略構成を示す要部断面図である。図６に示す３次元表示装置は、透過型表示装置（４１１，４１２）をハーフミラー（４３１，４３２）を用いて光学的に重ね合わせたものである。
図６に示す３次元表示装置では、各々の透過型表示装置（４１１，４１２）の後面（観察者から光学的に見て後面）に視域限定装置（４２１，４２２）を配置することで、後面からの光の範囲を制限し、図５に示す３次元表示装置と同様に観察できる範囲を制限することができる。
【００２４】
なお、背面からの光としては、自然に入射する光でも良いが、バックライト（３３１，４４１，４４２）のように直接照明する方法もある。
透過型表示装置の後面に配置する視域限定装置は、単に所望の視域以外を遮蔽して制限するものだけでなく、他の視域方向への光を所望の方向に集めることで、光の利用効率を高めることも可能である。
例えば、バックライトから出射した全ての光（１００％）を中心付近の２０％のみの角度方向へ集光することで、バックライトの消費電力を１／５程度に削減することも可能である。
ＤＦＤ方式の３次元表示装置では、透過型表示装置を複数重ね合わせることから、表示輝度が低くなるので、高輝度なバックライトが必要であることが知られており、バックライトの輝度の削減、あるいは、消費電力の削減は、ＤＦＤ方式の３次元表示装置において有利である。
本実施例の視域限定装置は、レンズ、マイクロレンズ、プリズムなどの光学系で構成することができる。例えば、図７に示すように、バックライト７４１から広い範囲で出射した光をマイクロレンズやレンズなどの光学系にて観察者の方向に集光し、その光を透過型表示装置７３１に入射させることで実現することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例１の３次元表示装置の概略構成を示す要部断面図である。
【図２】本発明の実施例１の３次元表示装置の変形例の概略構成を示す要部断面図である。
【図３】本発明の実施例１の視域限定装置の一例の概略構成を示す要部断面図である。
【図４】本発明の実施例１の視域限定装置の他の例の概略構成を示す要部断面図である。
【図５】本発明の実施例２の３次元表示装置の概略構成を示す要部断面図である。
【図６】本発明の実施例２の３次元表示装置の変形例の概略構成を示す要部断面図である。
【図７】本発明の実施例２の視域限定装置の一例の概略構成を示す要部断面図である。
【図８】本発明の基本となる３次元表示装置の概略構成を示す図である。
【図９】本発明の基本となる３次元表示装置において、各表示面に表示する２Ｄ化像の生成方法を説明するための図である。
【図１０】本発明の基本となる３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１１】本発明の基本となる３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１２】本発明の基本となる３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１３】本発明の基本となる３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１４】本発明の前提となるＤＦＤ型の３次元表示装置の他の例を説明するための図である。
【図１５】図１４に示す３次元表示装置の変形例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２６】
１１，１２ 表示面
１３ 光学系
１４，１５ ２Ｄ化像
１６ ３次元物体
２１，２２、１１１，１１２，３１１，３１２，４１１，４１２，６３１，７３１ 透過型表示装置
２３，３３１，４４１，４４２，７４１ バックライト
３２，３５ 液晶表示パネル
３１，３４ カラーフィルタ
３０，３６ 偏光板
３３ 散乱板
１００，１０１，１０２，１０３，２０１，２０２，２０３，３０１，３０２，３０３，４０１，４０２，４０３，５０１，５０２，５０３，６０１，６０２，６０３，７０１，７０２，７０３ 観察者
１２１，２２１，２２２，３２１，４２１，４２２，５２１，６２１，７２１ 視域限定装置
２３１，２３２，４３１，４３２ ハーフミラー
２１１，２１２ 非透過な表示装置
５１１ ルーバー
６１１，７１１ マイクロレンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元表示装置に係り、特に、ＤＦＤ（Depth-Fused3-D）方式の３次元表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制でき、かつ、簡便に、立体メガネを用いないで３次元表示が可能な、ＤＦＤ方式の３次元表示装置を提案している（例えば、特許文献１、２参照）。
前述した提案済みの３次元表示装置は、複数の表示面に２次元像を表示し、この複数の表示面に表示される２次元像の、輝度あるいは透過度を各表示面毎に変化させて３次元立体像を表示するものである。
【０００３】
なお、本願発明に関連する先行技術文献としては以下のものがある。
【特許文献１】特許第３０２２５５８号明細書
【特許文献２】特許第３４６０６７１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述した３次元表示方法では、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面に表示される２次元画像が重なり合うことで３次元立体像が表示される。
しかしながら、観察者が、この重なり合う視点以外から観察した場合には、３次元立体像としてではなく、複数の２次元像がズレた状態で、画質の悪い画像を観察することとなる。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、３次元表示装置において、複数の２次元像がズレた状態の画像を観察者に観察させることなく、綺麗な３次元立体像のみを観察者に提示することが可能となる技術を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、３次元表示装置において、各表示面での発光光、あるいは各表示面を透過する透過光を、観察者を中心とした狭い範囲のみに効率よく集中させることで、各表示面を構成する自発光型表示装置に画像を表示するための消費電力、あるいは、各表示面を構成する透過型表示装置を照射するバックライトを点灯させるために必要な消費電力を大幅に削減することが可能となる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
前述の課題を解決するために、本発明は、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面に２次元像をそれぞれ表示して３次元立体像を表示する３次元表示装置において、観察者の方向を中心とした狭い範囲のみから観察できる視域限定装置を有することを特徴とする。
また、本発明では、前記３次元表示装置は、前記各表示面に対して表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した２次元像を、それぞれの表示面に表示し、当該表示される２次元像の輝度あるいは透過度を前記各表示面毎にそれぞれ独立に変化させて、３次元立体像を表示する。
【０００６】
また、本発明では、前記視域限定装置は、前記観察者から見て最前面の表示面と、前記観察者との間に、あるいは、前記観察者から光学的に見て前記各表示面の前方に配置される。
また、本発明では、前記表示面が背面からの光を透過する透過型の場合に、前記視域限定装置は、前記観察者から見て最後面の表示面の後方、あるいは、前記観察者から光学的に見て前記各表示面の後方に配置される。
また、本発明では、前記視域限定装置は、前記表示面の後方に配置されるバックライトの照射光の指向性を、前記観察者の方向を中心に狭くする装置である。
また、本発明では、前記視域限定装置は、前記観察者の方向以外の光を遮る装置である。
また、本発明では、前記視域限定装置は、前記観察者の方向以外の光を前記観察者の方向へ集光させる装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）本発明の３次元表示装置によれば、複数の２次元像が重なり合う視点方向からのみ観察できるようにしたので、複数の２次元像がズレた状態の画像を観察者に観察させることなく、綺麗な３次元画像のみを観察者に提示することが可能となる。
（２）本発明の３次元表示装置によれば、各表示面での発光光、あるいは各表示面を透過する透過光を、観察者を中心とした狭い範囲のみに効率よく集中させることができるので、各表示面を構成する自発光型表示装置に画像を表示するための消費電力、あるいは、各表示面を構成する透過型表示装置を照射するバックライトを点灯させるために必要な消費電力を大幅に削減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［ＤＦＤ型の３次元表示装置の一例］
図８は、ＤＦＤ型の３次元表示装置の一例を説明するための図である。
図８に示す３次元表示装置は、観察者１００の前面に複数の面、例えば、表示面（１１，１２）（表示面１１が表示面１２より観察者１００に近い）を設定し、これらの表示面（１１，１２）に複数の２次元像を表示するために、２次元表示装置と種々の光学素子を用いて光学系１３を構築する。
前記２次元表示装置としては、例えば、ＣＲＴ、液晶ディスプレイパネル、ＬＥＤディスプレイパネル、プラズマディスプレイパネル、ＥＬディスプレイパネル、ＦＥＤディスプレイパネル、ＤＭＤ、プロジェクション方式ディスプレイパネル、オシロスコープのような線描画型ディスプレイなどを用い、光学素子としては、例えば、レンズ、全反射鏡、部分反射鏡、曲鏡、プリズム、偏光素子、波長板などを用いる。
なお、図８は、前述の特許文献１に記載されているものと同じ構成のものであり、また、この表示面の設定方法については、前述の特許文献１を参照されたい。
図８に示す３次元表示装置では、図９に示すように、観察者１００に提示したい３次元物体１６を、観察者１００の両眼の視線方向から、前述の表示面（１１，１２）へ射影した像（以下、「２Ｄ化像」と呼ぶ）（１４，１５）を生成する。
この２Ｄ化像の生成方法としては、例えば、視線方向から３次元物体１６をカメラで撮影した２次元像を用いる方法、あるいは別の方向から撮影した複数枚の２次元像から合成する方法、あるいはコンピュータグラフィックによる合成技術やモデル化を用いる方法など種々の方法がある。
【０００９】
図８に示すように、前記２Ｄ化像（１４，１５）を、各々表示面１１と表示面１２の双方に、観察者１００の右眼と左眼とを結ぶ線上の一点から見て重なるように表示する。これは、例えば、２Ｄ化像（１４，１５）の各々の中心位置や重心位置の配置と、各々の像の拡大・縮小を制御することで可能となる。
かかる構成を有する装置上で、２Ｄ化像（１４，１５）の各々の輝度を、観察者１００から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、３次元物体１６の奥行き位置に対応して変えることで、３次元物体１６の３次元立体像を表示する。
その２Ｄ化像（１４，１５）の各々の輝度の変え方の一例について説明する。なお、ここでは、白黒図面であるため、分かりやすいように、以下の図面では、輝度の高い方を濃く示してある。
例えば、３次元物体１６が表示面１１上にある場合には、図１０に示すように、この上の２Ｄ化像１４の輝度を３次元物体１６の輝度に等しくし、表示面１２上の２Ｄ化像１５の輝度はゼロとする。
次に、例えば、３次元物体１６が観察者１００より少し遠ざかって表示面１１より表示面１２側に少し寄った位置にある場合には、図１１に示すように、２Ｄ化像１４の輝度を少し下げ、２Ｄ化像１５の輝度を少し上げる。
【００１０】
次に、例えば、３次元物体１６が観察者１００よりさらに遠ざかって表示面１１より表示面１２側にさらに寄った位置にある場合には、図１２に示すように、２Ｄ化像１４の輝度をさらに下げ、２Ｄ化像１５の輝度をさらに上げる。
さらに、例えば、３次元物体１６が表示面１２上にある場合には、図１３に示すように、この上の２Ｄ化像１５の輝度を３次元物体１６の輝度に等しくし、表示面１１上の２Ｄ化像１４の輝度はゼロとする。
このように表示することにより、観察者（人）１００の生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示しているのが２Ｄ化像（１４，１５）であっても、観察者１００にはあたかも表示面（１１，１２）の中間に３次元物体１６が位置しているように感じられる。
例えば、表示面（１１，１２）にほぼ等輝度の２Ｄ化像（１４，１５）を表示した場合には、表示面（１１，１２）の奥行き位置の中間付近に３次元物体１６があるように感じられる。この場合に、この３次元物体１６は、観察者１００には立体感を伴って知覚される。
【００１１】
なお、前記説明においては、例えば、３次元物体全体の奥行き位置を、例えば、表示面（１１，１２）に表示した２次元像を用いて表現する方法について主に述べたが、図８に示す３次元表示装置は、例えば、３次元物体自体が有する奥行きを表現する方法としても使用できることは明らかである。
３次元物体自体が有する奥行きを表現する場合における重要な要点は、図８に示す構成を有する装置上で、２Ｄ化像（１４，１５）の各々の部位の輝度を、観察者１００から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、３次元物体１６の各部位が有する奥行き位置に対応して変えることである。
なお、前述の説明では、２次元像を配置する面の中で主に２つの面に関してのみ記述し、かつ観察者に提示する物体が２つの面の間にある場合について述べたが、２次元像を配置する面の個数がこれよりも多く、あるいは提示する物体の位置が異なる場合であっても、同様な手法により３次元立体像を表示することが可能であることは明らかである。
例えば、面が３つで、観察者１００に近い面と、中間の面との間に第１の３次元物体が、中間の面と、観察者１００に遠い面との間に第２の３次元物体が存在する場合には、観察者１００に近い面と、中間の面とに、第１の３次元物体の２Ｄ化像を表示し、中間の面と、観察者１００に遠い面とに第２の３次元物体の２Ｄ化像を表示することで、第１および第２の３次元物体の３次元立体像を表示することができる。
【００１２】
さらに、２Ｄ化像が３次元的に移動する場合に関しては、観察者の左右上下方向への移動に関しては通常の２次元表示装置の場合と同様に表示面内での動画再生によって可能であり、奥行き方向への移動に関しては、２Ｄ化像（１４，１５）の各々の輝度を、観察者１００から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、３次元立体像の奥行き位置の時間的変化に対応して変化させることにより、３次元像の動画を表現できることは明らかである。
例えば、３次元立体像が表示面１１より表示面１２まで時間的に移動する場合について説明する。
３次元立体像が表示面１１上にある場合には、図１０に示すように、表示面１１上の２Ｄ化像１４の輝度を３次元立体像の輝度に等しくし、表示面１２上の２Ｄ化像１５の輝度はゼロとする。
次に、例えば、３次元立体像が、次第に観察者１００より時間的に少し遠ざかり、表示面１１より表示面１２側に時間的に少し寄ってくる場合には、図１１に示すように、３次元立体像の奥行き位置の移動に対応させて２Ｄ化像１４の輝度を時間的に少し下げ、かつ２Ｄ化像１５の輝度を時間的に少し上げる。
【００１３】
次に、例えば、３次元立体像が観察者１００より時間的にさらに遠ざかり、表示面１１より表示面１２側にさらに寄った位置に時間的に移動する場合には、図１２に示すように、３次元立体像の奥行き位置の移動に対応させて２Ｄ化像１４の輝度を時間的にさらに下げ、かつ２Ｄ化像１５の輝度を時間的にさらに上げる。
さらに、例えば、３次元立体像が表示面１２上まで時間的に移動してきた場合には、図１３に示すように、３次元立体像の奥行き位置の移動に対応させてこの上の２Ｄ化像１５の輝度を３次元立体像の輝度に等しくなるまで時間的に変化させ、かつ表示面１１上の２Ｄ化像１４の輝度がゼロとなるまで変化させる。
このように表示することにより、人の生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示しているのが２Ｄ化像（１４，１５）であっても、観察者１００にはあたかも表示面（１１，１２）の間を、表示面１１から表示面１２に３次元立体像が奥行き方向に移動するように感じられる。
【００１４】
なお、前述の説明では、３次元立体像が表示面１１から表示面１２まで移動する場合について述べたが、これが表示面（１１，１２）の間の途中の奥行き位置から表示面１２まで移動する場合や、表示面１１から表示面（１１，１２）の間の途中の奥行き位置まで移動する場合や、表示面（１１，１２）の間の途中の奥行き位置から表示面（１１，１２）の間の途中の別な奥行き位置まで移動する場合であっても、同様なことが可能なことは明らかである。
なお、前述の説明では、２Ｄ化像を配置する面の中で主に２つの面に関してのみ記述し、かつ観察者１００に提示する３次元立体像が２つの面の間を移動する場合について述べたが、２次元像を配置する面の個数がこれよりも多く、あるいは提示する３次元物体が複数の面をまたがって移動する場合であっても、同様な手法により、３次元立体像を表示可能であり、同様な効果が期待できることは明らかである。
また、前述の説明では、１個の３次元立体像が２次元像を配置する二つの面内で移動する場合について説明したが、複数個の３次元物体が移動する場合、即ち、表示される２次元像が、それぞれ移動方向の異なる複数の物体像を含む場合には、各表示面に表示される物体像の輝度を、物体像毎に、その物体の移動方向および移動速度に応じて変化させればよいことは明らかである。
【００１５】
［ＤＦＤ型の３次元表示装置の他の例］
図１４は、本発明の前提となるＤＦＤ型の３次元表示装置の他の例を説明するための図である。
図１４に示す３次元表示装置は、観察者１００の前方に、複数の透過型表示装置、例えば、透過型表示装置（２１，２２）（透過型表示装置２１が透過型表示装置２２より観察者１００に近い）と、種々の光学素子と、光源２３を用いて光学系１３を構築する。即ち、本実施例では、前述の図８における表示面（１１，１２）に代えて、透過型表示装置（２１，２２）を用いるものである。
前記透過型表示装置（２１，２２）としては、例えば、ツイストネマティック型液晶ディスプレイパネル、イン・プレイン型液晶ディスプレイパネル、ホモジニアス型液晶ディスプレイパネル、強誘電液晶ディスプレイパネル、ゲスト−ホスト型液晶ディスプレイパネル、高分子分散型液晶ディスプレイパネル、ホログラフィック高分子分散型液晶ディスプレイパネル、あるいはこれらの組み合わせなどを使用する。また、光学素子としては、例えば、レンズ、全反射鏡、部分反射鏡、曲面鏡、プリズム、偏光素子、波長板などを用いる。
なお、図１４では、バックライト（光源）２３が、観察者１００から見て最も後方に配置された場合を示し、また、図１４は、前述の特許文献２に記載されているものと同じ構成のものである。
【００１６】
図１４に示す３次元表示装置においても、前述の図９に示すように、観察者１００に提示したい３次元物体１６を、観察者１００から見て、前記透過型表示装置（２１，２２）へ射影した２Ｄ化像（１４，１５）を生成する。
前記２Ｄ化像（１４，１５）を、図１４に示すように、各々透過型表示装置２１と透過型表示装置２２との双方に、観察者１００の右眼と左眼を結ぶ線上の一点から見て重なるように、２Ｄ化像（１４，１５）として表示する。
これは、例えば、２Ｄ化像（１４，１５）の各々の中心位置や重心位置の配置と、各々の像の拡大／縮小率を制御することで可能となる。
前記構成を有する装置上で、観察者１００が見る像は、光源２３から射出された光で、２Ｄ化像１５を透過し、さらに２Ｄ化像１４を透過した光によって生成される。
図１４に示す３次元表示装置では、前記構成を有する装置上で、２Ｄ化像（１４，１５）の各々の透過度の配分を、観察者１００から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、３次元物体１６の奥行き位置に対応して変えて、透過型表示装置２１と透過型表示装置２２との間に存在する３次元物体の３次元立体像を表示する。
【００１７】
その２Ｄ化像（１４，１５）の各々の透過度の変え方の一例について説明する。
例えば、３次元物体１６が透過型表示装置２１上にある場合には、透過型表示装置２１上の透過度を、２Ｄ化像１４の輝度が３次元物体１６の輝度に等しくなるように設定し、透過型表示装置２２上の２Ｄ化像１５の部分の透過度を、例えば、その透過型表示装置２２の最大値とする。
次に、例えば、３次元物体１６が観察者１００より少し遠ざかって、透過型表示装置２１より透過型表示装置２２側に少し寄った位置にある場合には、透過型表示装置２１上の２Ｄ化像１４の部分の透過度を少し増加させ、透過型表示装置２２上の２Ｄ化像１５の部分の透過度を少し減少させる。
次に、例えば、３次元物体１６が観察者１００よりさらに遠ざかって、透過型表示装置２１より透過型表示装置２２側にさらに寄った位置にある場合には、透過型表示装置２１上の２Ｄ化像１４の部分の透過度をさらに増加させ、透過型表示装置２２上の２Ｄ化像１５の部分の透過度をさらに減少させる。
さらに、例えば、３次元物体１６が透過型表示装置２２上にある場合には、透過型表示装置２２上の透過度を、２Ｄ化像１５の輝度が３次元物体１６の輝度に等しくなるように設定し、透過型表示装置２１上の２Ｄ化像１４の部分の透過度を、例えば、透過型表示装置２１の最大値とする。
【００１８】
このように表示することにより、観察者（人）１００の生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示しているのが２Ｄ化像（１４，１５）であっても、観察者１００にはあたかも透過型表示装置（２１，２２）の中間に３次元物体１６が位置しているように感じられる。
即ち、例えば、透過型表示装置（２１，２２）にほぼ等輝度の２Ｄ化像（１４，１５）を表示した場合には、透過型表示装置（２１，２２）の奥行き位置の中間付近に３次元物体１６があるように感じられる。この場合に、この３次元物体１６は、観察者１００には立体感を伴って知覚される。
なお、前述の説明においては、例えば、３次元物体全体の奥行き位置を、例えば、透過型表示装置（２１，２２）に表示した２次元像を用いて表現する方法について主に述べたが、図１４に示す３次元表示装置においても、図８に示す３次元表示装置で説明した方法と同様の手法により、例えば、３次元物体自体が有する奥行きを表現する方法としても使用できることは明らかである。
また、図１４に示す３次元表示装置においても、図８に示す３次元表示装置で説明した方法と同様の手法により、２Ｄ化像が３次元的に移動する場合には、観察者１００の左右上下方向への移動に関しては通常の２次元表示装置の場合と同様に透過型表示装置内での動画再生によって可能であり、また、奥行き方向への移動に関しては、複数の透過型表示装置における透過度の変化を時間的に行うことで、３次元立体像の動画を表現することができることは明らかである。
【００１９】
［図１４に示す３次元表示装置の変形例］
図１５は、図１４に示す３次元表示装置の変形例を説明するための図である。
図１５に示す３次元表示装置では、偏光板３０と、偏光板３６との間に、透過型表示装置２１と、散乱板３３と、透過型表示装置２２とが配置される。
透過型表示装置２１は、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル３２と、カラーフィルタ３１とで構成され、同様に、透過型表示装置２２は、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル３５と、カラーフィルタ３４とで構成される。
また、偏光板３６の後方（偏光板３６の透過型表示装置２２と反対の側）に、光源（バックライト）２３が配置される。
ここで、液晶表示パネル（３２，３５）は、ツイストネマティック型液晶ディスプレイパネル、イン・プレイン型液晶ディスプレイパネル、ホモジニアス型液晶ディスプレイパネル、強誘電液晶ディスプレイパネル、反強誘電液晶ディスプレイパネルなどから偏光板を取り除いた装置で構成される。
液晶表示パネル（３２，３５）は、各画素単位で、偏光の方向を変化できるので、出射光の偏光方向と、出射側の偏光板の偏光方向により、出射する光の強度を変化でき、全体として光の透過度を変化させることができる。
したがって、液晶表示パネル（３２，３５）の各画素単位に、通過する光の偏光方向を制御することにより、液晶表示パネル３２および液晶表示パネル３５毎に、独立に透過度を変化させることができる。
【００２０】
図１５に示す３次元表示装置でも、前述した手法により、透過型表示装置（２１，２２）上、あるいは、透過型表示装置２１と透過型表示装置２２との間の任意の位置に、３次元立体像を表示することが可能である。
しかも、図１５に示す３次元表示装置では、液晶表示パネル（３２，３５）を、２枚の偏光板（３０，３６）で挟むようにしたので、透過型表示装置として、両側に偏光板を設けた液晶表示パネルを使用する場合に比して、光源２３からの照射光の光路中に挿入される偏光板の数を少なくすることができ、表示が暗くなるのを防止することができる。
また、図１５に示す３次元表示装置では、各液晶表示パネル（３２，３５）の各画素単位に、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の３色から成るカラーフィルタ（３１，３４）を配置するようにしたので、カラー画像の３次元立体像を表示することができる。
但し、図１５に示す３次元表示装置では、偏光方向が、液晶表示パネル３２と液晶表示パネル３５とを通過する間に変化することを考慮して、各液晶表示パネル（３２，３５）の偏光方向の制御を行う必要がある。
図１５に示す３次元表示装置では、各透過型表示装置（２１，２２）は、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル（３２，３５）と、カラーフィルタ（３１，３４）とで構成される。そのため、カラーフィルタ３１と、カラーフィルタ３４とにおける、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の各フィルタの配列方向、配列ピッチ等の違いにより、モアレが発生する恐れがある。
そのため、図１５に示す３次元表示装置では、カラーフィルタ３１とカラーフィルタ３４との間に、散乱板３３を配置し、前述したモアレが発生するのを防止するようにしている。
【００２１】
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１の３次元表示装置の概略構成を示す要部断面図である。
本実施例の３次元表示装置は、表示面を構成する透過型表示装置を複数個重ね合わせた構成を基本とする。そして、図１に示すように、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の透過型表示装置（１１１，１１２）の最前面（観察者から見て最前面）の透過型表示装置１１１と、観察者１０１との間に、透過型表示装置（１１１，１１２）の正面付近以外からの光を制限する視域限定装置１２１を配置する。
これにより、観察者１０１の方向からは透過型表示装置（１１１，１１２）を用いた３次元表示装置の３次元像が観察できるが、観察者（１０２，１０３）の方向からは観察することができなくなる。
従来、複数の透過型表示装置を積層した３次元表示装置では、画像が重なり合う正面付近以外から観察すると、各々の表示装置の画像の間に隙間が見えてしまったり、各々の画像が重なり合ってしまったりして、本来の３次元画像とは異なったズレた画像が観察者に観察されてしまう。
本実施例では、この本来の３次元画像以外の視線方向を制限することで、観察者には綺麗な、本来の３次元画像のみを見せることが可能となる。
なお、図１では、透過型表示装置（１１１，１１２）の正面から画像が重なる場合について説明しているが、各々の画像を正面以外から重ね合わせている場合には、その重なり合う視線方向以外を制限することで、本来の３次元画像のみを観察可能である。
【００２２】
図２は、本発明の実施例１の３次元表示装置の変形例の概略構成を示す要部断面図である。図２に示す３次元表示装置は、非透過な表示装置（２１１，２１２）を複数枚重ね合わせた構成を基本構成とするものであり、図２では、光を反射と透過の両方を行うことができるハーフミラー（２３１，２３２）を用いて、非透過な表示装置（２１１，２１２）を光学的に複数重ね合わせている。なお、非透過な表示装置（２１１，２１２）は表示面を構成する。
そして、視域限定装置（２２１，２２２）を、それぞれ非透過な表示装置（２１１，２１２）の前方（観察者から光学的に見て前方）にそれぞれ配置し、観察できる視線方向を制限している。これにより、図１に示す透過型表示装置と同様に、非透過型表示装置でも同様な効果を実現できる。
本実施例の視域限定装置は、図３に示す視域限定装置５２１のように、表示装置に垂直な方向に壁を立てて他方向からの視線を遮るルーバー５１１などで構成できる。
また、レンズやプリズムなどの光学系にて観察者の方向に集光して観察範囲に指向性を持たせることも可能である。即ち、視域限定装置は、単に所望の視域以外を遮蔽して制限するものだけでなく、他の視域方向への光を所望の方向に集めることで、光の利用効率を高めることも可能である。
例えば、非透過な表示装置（２１１，２１２）が自発光型表示装置の場合には、発光光の全てを、中心付近のみの角度方向へ集光することで、自発光型表示装置の消費電力を大幅に削減することも可能である。
さらに、図４に示すように、例えば、表示装置６３１の前面に、画素毎に対応したマイクロレンズ６１１を用いた視域限定装置６２１を配置し、表示装置６３１から出射した光を観察者の方向に集光することで実現することもできる。
【００２３】
［実施例２］
図５は、本発明の実施例２の３次元表示装置の概略構成を示す要部断面図である。
本実施例の３次元表示装置も、透過型表示装置を複数個重ね合わせた構成を基本とする。そして、図５に示すように、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の透過型表示装置（３１１，３１２）の最後面（観察者から見て最後面）の後ろに、視域限定装置３２１を配置する。
透過型表示装置は、背面からの光を透過させることで表示を行うことから、背面から来る光の範囲を視域限定装置３２１にて制限することで、複数の透過型表示装置（３１１，３１２）の画像が重なり合う方向のみから観察可能としている。
これにより、観察者３０１の方向からは透過型表示装置（３１１，３１２）を用いた３次元表示装置の３次元像が観察できるが、観察者（３０２，３０３）の方向からは観察することができなくなる。
図６は、本発明の実施例２の３次元表示装置の変形例の概略構成を示す要部断面図である。図６に示す３次元表示装置は、透過型表示装置（４１１，４１２）をハーフミラー（４３１，４３２）を用いて光学的に重ね合わせたものである。
図６に示す３次元表示装置では、各々の透過型表示装置（４１１，４１２）の後面（観察者から光学的に見て後面）に視域限定装置（４２１，４２２）を配置することで、後面からの光の範囲を制限し、図５に示す３次元表示装置と同様に観察できる範囲を制限することができる。
【００２４】
なお、背面からの光としては、自然に入射する光でも良いが、バックライト（３３１，４４１，４４２）のように直接照明する方法もある。
透過型表示装置の後面に配置する視域限定装置は、単に所望の視域以外を遮蔽して制限するものだけでなく、他の視域方向への光を所望の方向に集めることで、光の利用効率を高めることも可能である。
例えば、バックライトから出射した全ての光（１００％）を中心付近の２０％のみの角度方向へ集光することで、バックライトの消費電力を１／５程度に削減することも可能である。
ＤＦＤ方式の３次元表示装置では、透過型表示装置を複数重ね合わせることから、表示輝度が低くなるので、高輝度なバックライトが必要であることが知られており、バックライトの輝度の削減、あるいは、消費電力の削減は、ＤＦＤ方式の３次元表示装置において有利である。
本実施例の視域限定装置は、レンズ、マイクロレンズ、プリズムなどの光学系で構成することができる。例えば、図７に示すように、バックライト７４１から広い範囲で出射した光をマイクロレンズやレンズなどの光学系にて観察者の方向に集光し、その光を透過型表示装置７３１に入射させることで実現することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例１の３次元表示装置の概略構成を示す要部断面図である。
【図２】本発明の実施例１の３次元表示装置の変形例の概略構成を示す要部断面図である。
【図３】本発明の実施例１の視域限定装置の一例の概略構成を示す要部断面図である。
【図４】本発明の実施例１の視域限定装置の他の例の概略構成を示す要部断面図である。
【図５】本発明の実施例２の３次元表示装置の概略構成を示す要部断面図である。
【図６】本発明の実施例２の３次元表示装置の変形例の概略構成を示す要部断面図である。
【図７】本発明の実施例２の視域限定装置の一例の概略構成を示す要部断面図である。
【図８】本発明の基本となる３次元表示装置の概略構成を示す図である。
【図９】本発明の基本となる３次元表示装置において、各表示面に表示する２Ｄ化像の生成方法を説明するための図である。
【図１０】本発明の基本となる３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１１】本発明の基本となる３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１２】本発明の基本となる３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１３】本発明の基本となる３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１４】本発明の前提となるＤＦＤ型の３次元表示装置の他の例を説明するための図である。
【図１５】図１４に示す３次元表示装置の変形例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２６】
１１，１２ 表示面
１３ 光学系
１４，１５ ２Ｄ化像
１６ ３次元物体
２１，２２、１１１，１１２，３１１，３１２，４１１，４１２，６３１，７３１ 透過型表示装置
２３，３３１，４４１，４４２，７４１ バックライト
３２，３５ 液晶表示パネル
３１，３４ カラーフィルタ
３０，３６ 偏光板
３３ 散乱板
１００，１０１，１０２，１０３，２０１，２０２，２０３，３０１，３０２，３０３，４０１，４０２，４０３，５０１，５０２，５０３，６０１，６０２，６０３，７０１，７０２，７０３ 観察者
１２１，２２１，２２２，３２１，４２１，４２２，５２１，６２１，７２１ 視域限定装置
２３１，２３２，４３１，４３２ ハーフミラー
２１１，２１２ 非透過な表示装置
５１１ ルーバー
６１１，７１１ マイクロレンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面に２次元像をそれぞれ表示して３次元立体像を表示する３次元表示装置において、
観察者の方向を中心とした狭い範囲のみから観察できる視域限定装置を有することを特徴とする３次元表示装置。
【請求項２】
前記３次元表示装置は、前記各表示面に対して表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した２次元像を、それぞれの表示面に表示し、当該表示される２次元像の輝度あるいは透過度を前記各表示面毎にそれぞれ独立に変化させて、３次元立体像を表示することを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
【請求項３】
前記視域限定装置は、前記観察者から見て最前面の表示面と、前記観察者との間に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３次元表示装置。
【請求項４】
前記視域限定装置は、前記観察者から光学的に見て前記各表示面の前方に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３次元表示装置。
【請求項５】
前記表示面が背面からの光を透過する透過型の場合に、前記視域限定装置は、前記観察者から見て最後面の表示面の後方に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３次元表示装置。
【請求項６】
前記表示面が背面からの光を透過する透過型の場合に、前記視域限定装置は、前記観察者から光学的に見て前記各表示面の後方に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３次元表示装置。
【請求項７】
前記視域限定装置は、前記表示面の後方に配置されるバックライトの照射光の指向性を、前記観察者の方向を中心に狭くする装置であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の３次元表示装置。
【請求項８】
前記視域限定装置は、前記観察者の方向以外の光を遮る装置であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の３次元表示装置。
【請求項９】
前記視域限定装置は、前記観察者の方向以外の光を前記観察者の方向へ集光させる装置であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の３次元表示装置。
【請求項１】
観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面に２次元像をそれぞれ表示して３次元立体像を表示する３次元表示装置において、
観察者の方向を中心とした狭い範囲のみから観察できる視域限定装置を有することを特徴とする３次元表示装置。
【請求項２】
前記３次元表示装置は、前記各表示面に対して表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した２次元像を、それぞれの表示面に表示し、当該表示される２次元像の輝度あるいは透過度を前記各表示面毎にそれぞれ独立に変化させて、３次元立体像を表示することを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
【請求項３】
前記視域限定装置は、前記観察者から見て最前面の表示面と、前記観察者との間に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３次元表示装置。
【請求項４】
前記視域限定装置は、前記観察者から光学的に見て前記各表示面の前方に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３次元表示装置。
【請求項５】
前記表示面が背面からの光を透過する透過型の場合に、前記視域限定装置は、前記観察者から見て最後面の表示面の後方に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３次元表示装置。
【請求項６】
前記表示面が背面からの光を透過する透過型の場合に、前記視域限定装置は、前記観察者から光学的に見て前記各表示面の後方に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３次元表示装置。
【請求項７】
前記視域限定装置は、前記表示面の後方に配置されるバックライトの照射光の指向性を、前記観察者の方向を中心に狭くする装置であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の３次元表示装置。
【請求項８】
前記視域限定装置は、前記観察者の方向以外の光を遮る装置であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の３次元表示装置。
【請求項９】
前記視域限定装置は、前記観察者の方向以外の光を前記観察者の方向へ集光させる装置であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の３次元表示装置。
【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】
【公開番号】特開２００７−１０８２７４（Ｐ２００７−１０８２７４Ａ）
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９７３２４（Ｐ２００５−２９７３２４）
【出願日】平成１７年１０月１２日（２００５．１０．１２）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月１２日（２００５．１０．１２）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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