图像显示装置制造方法
【专利摘要】提供能够防止视差图像的画质的劣化来进行立体观察的图像显示装置。在图像显示装置中，朝向图像显示部投射生成多个视差图像分量的光线，在图像显示部内变更入射光线的射出角度。该出射光线入射到在图像显示部内分离视差图像分量的柱状透镜，该光线所包含的视差图像分量被分离而投影到观察者侧。该柱状透镜构成为排列有多个柱面透镜要素，在相互邻接的柱面透镜要素之间具有边界。生成多个视差图像分量的光线通过除了柱状透镜的边界以外的柱面透镜要素的区域而被投影到观察者侧。
【专利说明】图像显示装置【技术领域】
[0001 ] 实施方式涉及图像显示装置。
【背景技术】
[0002]作为图像显示装置，在能够进行动画显示的三维影像显示装置的所谓三维显示器中，已知有各种方式。近年来，特别强烈要求是平板面板类型、并且不需要专用眼镜等的方式。在该不需要专用眼镜的类型的三维影像显示装置之一中，有如下方式:如直视型或者投影型的液晶显示装置或者等离子体显示装置等那样在紧靠着像素位置被固定了的显示面板(显示装置)的跟前设置光线控制元件，控制来自显示面板的光线使得朝向观察者。此处，光线控制元件提供如即使观察了光线控制元件上的同一位置，也能够对根据所观察的角度而不同的影像进行立体观察那样的功能。
[0003]使用了这样的光线控制元件的三维图像显示方式根据视差(从不同的方向观察所致的视觉表现的差)的数量、设计方针被分类为2眼式、多眼式、超多眼式(多眼式的超多眼条件)、集成成像(以下还称为II)式等。关于2眼式，根据双眼视差而立体观察，但关于其以外的方式，在不同程度上能够实现运动视差，所以与2眼式的立体影像区分而称为三维影像。这些用于显示三维影像的基本的原理与在100年前左右发明并用于三维照相的集成摄影(IP)的原理实质上相同。
[0004]在这样针对多个方 向显示各个视差图像，而能够进行立体观察的图像显示装置中，有向柱状透镜投射图像的方式。在该方式中，利用向形成柱状透镜的各个柱面透镜入射的光线根据其入射位置分别向不同的方向偏转出射而使观察者实现立体观察。即，在从图像投射器向柱状透镜投射的投射图像中包括多个视差图像，该多个视差图像经由柱状透镜向各方向偏转出射，从而能够针对向各个方向出射的每条光线显示视差图像，作为结果，能够使观察者进行立体观察。
[0005]在该柱状透镜方式中，柱状透镜起到从投射图像使视差图像分别分离的作用。通常，在从图像投射器放大投射而显示图像的情况下，入射到柱状透镜的光线成为扩散光线，在入射到中央部的光线和入射到周边部的光线中，以入射角度不同的方式入射到柱状透镜。因此，从柱状透镜出射的光线的偏转角度在画面的中央部和周边部也不同，存在无法针对观测者显示视差图像的整体而立体观察受损的问题。针对这样的问题，已知在图像投射器与柱状透镜之间设置具有凸透镜功能的菲涅尔透镜，使投射光线平行(准直)而入射到柱状透镜的方式。
[0006]专利文献1:日本特开平8-05957号公报
【发明内容】
[0007]一般，菲涅尔透镜形成为凸透镜面具有同心圆状地分离的多个带状区域，在透镜面变得不连续的带状区域的边界形成了阶梯。作为透镜需要某种程度以上的面积，在对透镜提供凸透镜功能的情况下，通常在玻璃、光学性树脂制的凸透镜中，在制作精度以及重量上难以操作，所以一般使用树脂制的菲涅尔透镜。
[0008]在三维图像显示方式中，提供视差图像的光线不仅入射到该菲涅尔透镜的连续面，而且还入射到阶梯部分。但是，存在入射到阶梯部分的光线在该阶梯中散射，而无法以期望的角度入射到柱状透镜的问题。关于在阶梯中散射的光线，存在如下问题:朝向上下方向的散射光线成为图像上的噪声，相反，在视差分离方向上，该散射光线混入到其他视差图像，而所显示的视差图像的画质发生劣化。
[0009]如上所述，为了不使立体观察受损，在对于图像投射器与柱状透镜等视差分离元件之间设置了变更光线角度的菲涅尔透镜的光学系统中，存在阶梯部分使投射光线散射，作为其结果视差图像的画质劣化的问题。
[0010]实施方式是考虑这样的事情而完成的，其目的在于提供一种能够防止视差图像的画质的劣化而实现立体观察的图像显示装置。
[0011]在实施方式的图像显示装置中，通过光线投射单元将包含多个视差图像分量的光线朝向光线角度变更单元投射，该投射光线入射到光线角度变更单元。光线角度变更单元以使该入射光线折射而使所述投射光线大致平行的方式变更射出角度而出射。从该光线角度变更单元将出射光线入射到视差分离单元而以与该光线所包含的所述视差图像分量对应的角度分离该视差图像分量而投影到观察者侧。视差分离单元具备柱状透镜，该柱状透镜构成为排列有多个柱面透镜要素，在相互邻接的柱面透镜要素之间具有边界。生成所述多个视差图像分量的光线通过除了所述边界以外的所述柱面透镜要素的区域而投影到观察区域侧，能够对立体图像进行立体观察。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1 (a)以及(b)是概略地示出第I实施方式的图像显示装置的光学结构的水平面内的俯视图以及垂直面内的侧视图。
[0013]图2 (a)、(b)以及(c)是概略地示出图1所示的一体透镜的构造的水平面内的俯视图、垂直面内的侧视图以及背面侧平面图。
[0014]图3是概略地示出第I实施例的图像图案被投射到图1所示的一体透镜的构造上、并从一体透镜向观察者侧射出光线的光学系统的光线轨迹的说明图。
[0015]图4是示出制作图3所示的图像图案的工序的流程图。
[0016]图5是概略地示出第2实施例的图像图案被投射到图1所示的一体透镜的构造上、并从一体透镜向观察者侧射出了光线的光学系统的光线轨迹的说明图。
[0017]图6是示出制作图5所示的图像图案的工序的流程图。
[0018]图7 (a)、(b)以及(c)是概略地示出第3实施方式的图像显示装置的一体透镜的构造的水平面内的俯视图、垂直面内的侧视图以及背面侧平面图。
[0019]图8 (a)、(b)以及(C)是概略地示出第4实施方式的图像显示装置的一体透镜的构造的水平面内的俯视图、垂直面内的侧视图以及背面侧平面图。
[0020]图9 (a)以及(b)是比较示出图2所示的第I实施方式的图像显示装置以及图8所示的第4实施方式的图像显示装置中的光线轨迹以及可观测的范围的示意图。
[0021]图10 Ca)以及(b)是概略地示出第5实施方式的图像显示装置的光学结构的水平面内的俯视图以及垂直面内的侧视图。[0022]图11 (a)、(b)以及(c)是概略地示出图10所示的图像显示装置的一体透镜的构造的水平面内的俯视图、垂直面内的侧视图以及背面侧平面图。
[0023]图12是概略地示出图10所示的图像显示装置的一体透镜的构造的立体图。
[0024]图13 (a)、(b)以及(c)是概略地示出第6实施例的图像显示装置的一体透镜的构造的水平面内的俯视图、垂直面内的侧视图以及背面侧平面图。
[0025]图14 Ca)以及(b)是概略地示出第7实施例的图像显示装置的水平面内的俯视图以及垂直面内的侧视图。
[0026]图15是概略地示出第7实施方式的光学系中的投射像素和第I柱状透镜的水平视差面内的光线轨迹的说明图。
[0027]图16 (a)、(b)以及(C)是示出用视差编号表示的二维投射像素(视差图像分量)被投影到第I柱状透镜的背面侧的平面配置的说明图，是示出第I柱状透镜与第2柱状透镜的配置关系的说明图以及示出从第2柱状透镜1114出射到观察者侧前方的二维投射像素(视差图像分量)的投影方向的说明图。
[0028]图17 Ca)以及(b)是概略地示出第8实施例的图像显示装置的水平面内的俯视图以及垂直面内的侧视图。
[0029]图18 Ca)以及(b)是概略地示出第9实施例的图像显示装置的水平面内的俯视图以及垂直面内的侧视图。
[0030]图19 Ca)以及(b)是概略地示出第10实施例的图像显示装置的水平面内的俯视图以及侧视图。
[0031](符号说明)
[0032]101、601、701、1001、1101、1201、1301、1501:图像投射器；102、602、702、1002、1102、1202、1302、1402、1502:图像显示部;103、603、703、1003、1103、1204、1404: 一体透镜;104、604、704、1105、1205、1305、1405、1505:扩散板;201、301、501、1203、1303、1601:柱面菲涅尔透镜;202、302、402、502、802、1104、1304、1504、1602:柱状透镜；401:柱面透镜；605:观测距离L ；901:二维菲涅尔透镜；902:二维透镜阵列；1401:光线投射器；801:二维菲涅尔透镜；1403:液晶面板；A:可观测全部画面的范围；B:可观测部分画面的范围；C:不能观测全部画面的范围-X:可观测全部画面的范围；B’:可观测部分画面的范围；C’:不能观测全部画面的范围
【具体实施方式】
[0033]以下，参照附图，说明实施方式的图像显示装置。
[0034]另外，在该说明书中，希望注意的是水平以及垂直以观察者2的双眼为基准，并不意味着被严格确定的水平以及垂直。即，希望注意的是将配置了双眼的视野以及与该视野大致平行的面定义为水平面(水平视野)，将与该水平面大致正交的面定义为垂直面(垂直视野)。另外，希望注意的是在该说明书中，以图像显示部102为基准，将观察者2侧定义为前方，将图像投射器101侧定义为背面侧。另外，在图像显示部102的前方，设定观察者2能够观察在图像显示装置102中显示的立体图像的观察区域。
[0035](第I实施方式)
[0036]图1 (a)以及(b)示出第I实施方式的图像显示装置中的水平视野内以及垂直视野内的光学系统的结构。在该图1 (a)中，示出描绘观察者2的双眼且是水平视野内(水平面内)的光学系统，而在图1 (b)中，示出描绘观察者2的单眼且是垂直视野内(垂直面内)的光学系统。此处，观察者2位于图像显示部102的前方而观察该图像显示部102，能够对在图像显示部102中显示的图像进行立体观察。
[0037]在图像显示部102的背面侧配置了图像投射器101，从该图像投射器101将图像向图像显示部102投射(投影)，该投射(投影)图像被观测为立体图像(三维图像)。此处，图像显示部102由一体透镜103以及扩散板104构成，使通过一体透镜103投射到图像显示部102的图像所包含的投射光线在水平视野内大致平行(准直)，分离投射图像所包含的视差图像分量而投影到扩散板104。此处，使得大致平行是指，不限于使投射光线严格地成为平行而入射到扩散板104的情况，也可以以投影被稍微放大了的投射图像的方式，使得稍微具有发散性地入射到扩散板104，或者，也可以以投影被稍微缩小了的投射图像的方式，使得稍微具有收敛性地入射到扩散板104。通过这样使视差图像显示于扩散板104，观测者能够在扩散板104的前方或者背面侧识别立体图像。
[0038]此处，通过在某个基准面配置的多个照相机对被摄体进行摄影，编辑来自多个照相机的多个视差图像，来生成用于使观察者立体观察的图像。另外，也可以根据用绘制制作的图像通过运算制作多个视点的视差图像，编辑该视差图像来生成用于使观察者立体观察的图像。在视差图像的编辑时，从视差图像取出视差图像分量(视差图像分段)，组合该视差图像分量来生成用于使观察者立体观察的图像，该图像被显示于图像显示部102。因此，视差图像分量相当于从用I个照相机摄影的视差图像取出的图像分量或者图像分段，在仅在水平方向上提供立体观察的显示时，相当于从视差图像长条状地切出的长条状的图像分段。
[0039]图1 (a)以及(b)示出仅在水平视野内提供视差(水平视差)的光学系统，并且，在以下的说明中，也说明在水平视野内，提供水平视差的图像显示装置的实施方式。但是，即使在不仅是水平视野内而且在垂直视野内也能够提供垂直视差的图像显示装置的实施方式中，也能够通过将提供水平视差的光学系统应用于垂直视野内的光学系统而容易地实现。更具体而言，在水平以及垂直视野内提供视差(水平视差以及垂直视差)的情况下，在投射图像中，在水平以及垂直视野内提供视差的视差图像从图像投射器101朝向一体透镜103射出，在一体透镜103中，在垂直以及水平视野内，使投影光线平行(准直)，使投射图像所包含的提供水平视差以及垂直视差的视差图像分离并投影到扩散板104。同样地，在以下的说明中，希望被理解为包括在水平以及垂直视野内都能够提供视差的图像显示装置的实施方式。
[0040]图2 Ca)以及(b)是概略地示出水平视野内以及垂直视野内的一体透镜103的构造的俯视图以及侧视图，图2 (c)是示出从图像投射器101侧观察到的一体透镜103的平面形状的背面图。一体透镜103在来自图像投射器101的光线入射的背面侧，具备使投射光线在水平视野内平行(准直)的柱面菲涅尔透镜201，在朝向扩散板104出射光线侧，形成了根据视差对光线进行角度分离、即使光线朝向与视差图像分量的视差对应的方向(用视差编号确定的方向)的柱状透镜202。该柱面菲涅尔透镜201和柱状透镜202 —体化为一体透镜103。柱面菲涅尔透镜201由沿着水平方向配置的多个棱镜要素201A构成，各棱镜要素201A沿着相对水平面正交的垂直方向延伸，投影(投射)图像所包含的视差图像分量以在水平视野内分别通过棱镜要素201A成为相互平行的方式折射而朝向柱状透镜202。
[0041]在柱面菲涅尔透镜201中，在相互邻接的棱镜要素201A之间，产生边界，该边界如后所述被决定为无效区域，该边界之间(无效区域之间)的棱镜区域被设为使包含视差图像分量的光线折射的有效区域。另外，柱状透镜202由沿着水平方向配置的多个柱面透镜要素202A构成，各柱面透镜要素202A沿着垂直方向延伸，将视差图像分量朝向针对每个视差图像分量决定的规定方向射出。同样地，在邻接的柱面透镜要素202A之间产生边界，该边界也被设为无效区域，该无效区域之间的透镜要素202A的面被决定为对包含视差图像分量的光线提供方向性的有效区域。
[0042]视差图像分量被分配给通过图像投射器101生成图像的显示装置中的像素，所以无效区域相当于所投影的图像的像素的边界、或者包含像素的边界但不包含视差图像分量的作为无效像素的一个或者少量的邻接像素。另外，在像素之间设置黑条纹等非显示区域，在该非显示区域作为图像被投影时，作为像素之间的边界，该非显示区域被投影到上述的无效区域。
[0043]在上述的光学系统中，在II (集成成像)方式时，从赋予同一视差编号的视差图像取出的多个视差图像分量通过不同的柱面透镜要素202A被投影到前方。其结果，观察者能够通过从不同的视差图像取出的多个视差图像分量观察可用裸眼进行立体观察的三维图像。
[0044]在柱面菲涅尔透镜201中，在棱镜要素201A之间的边界中作为无效区域产生直线状的阶梯。该直线状的阶梯在垂直方向上延伸。同样地，即使在柱状透镜202中在柱面透镜要素202A之间也产生直线状的边界，该直线状的边界作为无效区域在垂直方向上延伸。另外，棱镜要素201A之间的直线状的阶梯在被平行(准直)了的光线的行进方向上，以与柱面透镜要素202A之间的边界实质上一致的方式，形成了棱镜要素201A以及柱面透镜要素202A。换言之，如图2(a)用虚线所示那样，关于棱镜要素201A以及柱面透镜要素202A，以沿着水平方向相互透射地使无效区域重叠的方式，提供同一值的阶梯间距以及边界间距，并沿着水平方向排列。此处，由多个像素构成的视差图像分量的边界被决定为棱镜要素201A以及柱面透镜要素202A的边界，所以阶梯间距以及边界间距被决定为构成投影(投射)图像的像素的像素间距的整数倍。例如，用PMMA、PC这样的光学元件用的树脂，以成型为表背一体的方式制作图2 Ca)至图2 (c)所示的一体透镜103。
[0045]考虑柱状透镜202中的视差分离来制作投射到该一体透镜的投射图像，在形成视差图像分量的光线入射到柱状透镜202时，以仅入射到柱面菲涅尔透镜201的棱镜要素201A的有效区域，而避免入射到棱镜要素201A之间的边界的方式，制作投射图像。换言之，在柱面菲涅尔透镜201的棱镜要素201A之间的边界中，设为无效区域，入射到柱面菲涅尔透镜201的棱镜要素201A的多个视差图像分量的群组之间的边界区域被投影，以实质上来自视差图像分量的光线被入射到柱面菲涅尔透镜201的棱镜要素201A的有效区域，而不投影到与有效区域之间的无效区域相当的边界的方式，预先生成投射图像。其原因为，在柱面菲涅尔透镜201的棱镜要素201A之间的边界中，有无法对视差图像分量的光线正确地进行角度分离来出射的危险。因此，即使对于以与柱面菲涅尔透镜201的棱镜要素201A之间的边界一致的方式形成的棱镜要素201A之间的阶梯，关于构成视差图像分量的光线，以不会跨越阶梯而入射到阶梯上，避开阶梯而入射的方式，形成投射图像。由于以避开阶梯的方式入射构成视差图像分量的光线，所以能够防止投影到前方的视差图像的画质劣化。
[0046]参照图3，更详细地说明投射像素与柱状透镜202的关系。在图3中，示意地示出一体透镜103的水平视野内构造，在该图3中的构造例中，在水平方向上排列的4个像素的宽度与柱状透镜202的柱面透镜要素202A的间距一致。在该图3中，所投射的像素相当于视差图像分量，用符号L1、CL1、CR1、R1、L2、CL2、...、CR4、R4表示，按照该符号的顺序排列的像素图案被投射到柱面菲涅尔透镜201的有效区域，通过该柱面菲涅尔透镜201被进行平行而入射到柱状透镜202，与视差图像分量相当的像素通过各个柱面透镜要素202A分别向对应的方向偏转。此处，4个像素L1、CLl、CRl、Rl、4个像素L2、CL2、CR2、R2、4个像素L3、CL3、CR3、R3、4个像素L4、CL4、CR4、R4被群组化，以使该第I~第4像素群组的边界分别与棱镜要素201A之间的阶梯一致的方式，将像素图案投射到柱面菲涅尔透镜201。
[0047]另外，如图3所示，分别与视差图像分量相当的像素LI~L4的投射光线分别通过不同的棱镜要素201A折射而使得平行，以相互成为大致平行的方式，入射到不同的透镜要素202A，从观察者2观察时朝向左方向并被投影到观察者2侧。同样地，分别与视差图像分量相当的像素CLl~CL4的投射光线分别通过不同的棱镜要素201A折射而使得平行，以相互成为大致平行的方式入射到不同的透镜要素202A，从观察者2观察时朝向中左方向被投影到观察者2侧。分别与视差图像分量相当的像素CRl~CR4的投射光线分别通过不同的棱镜要素201A折射而使得平行，以相互成为大致平行的方式入射到不同的透镜要素202A，从观察者2观察时朝向中右方向被投影到观察者2侧。分别与视差图像分量相当的像素Rl~R4的投射光线分别通过不同的棱镜要素201A折射而使得平行，以相互成为大致平行的方式入射到不同的透镜要素202A，从观察者2观察时朝向右方向被投影到观察者2侦U。
[0048]从通过某I个照相机摄影的左方向视差图像L抽出并制作与上述左方向视差图像分量相当的像素LI~L4。同样地，分别从通过某I个照相机摄影的中左方向视差图像CL、通过某I个照相机摄影的中右方向视差图像CR以及通过某I个照相机摄影的右方向视差图像R，抽出并制作分别与中左方`向视差图像分量相当的像素CLl~CL4、分别与中右方向视差图像分量相当的像素CRl~CR4、分别与右方向视差图像分量相当的像素Rl~R4。关于这些切片了的像素，被排列在图3所示那样的图案而制作图像，向一体透镜103投射在该图案中排列的图像。
[0049]参照图4所示的流程图，说明制作该投射图像的过程。
[0050]在对用于立体观察的图像进行摄影时，准备与视差数m相应的m个照相机并用m个照相机对被摄体进行摄影，准备与该视差数m对应的m张视差图像。此处，对视差图像，与照相机编号对应地赋予同一视差编号。另外，从各视差图像取出K张视差图像分量(视差图像分段)并分配给由多个群组构成的图像图案。此处，如已经说明那样，被决定为多个群组分别对应于棱镜要素201A，各群组图案被投射到对应的棱镜要素201A，群组图案之间的边界被投影到棱镜要素201A之间的阶梯。
[0051]在图3所示的图像图案(投射图像)中，准备4张(111=4)视差图像1^、(^、0?、1?，从I张视差图像(L、CL、CR或者R)取出4 (K=4)张视差图像分量(视差图像分段)并分配给4个群组(将各群组称为要素图像)的图像图案。根据该m张视差图像制作第I至第N个视差图像分量，将该第I至第N个视差图像分量作为图像图案(投射图像)排列而投射到柱面菲涅尔透镜201。[0052]在图3所示的图像图案(投射图像)中，根据4 (m=4)张视差图像制作第I至第16个(N=16)这16个视差图像分量(16个像素分段)，该第I至第16个视差图像分量被排列在预定的图像图案(投射图像)中并被投射到柱面菲涅尔透镜201。该图3所示的图像图案(投射图像)由第I至第4群组图案(第I?第4要素图像)构成，对第I至第4群组图案，连续地分配4张(m=4)视差图像L1、CL1、CR1、Ri而如图4所示决定第I至第16个(N=16)这16个视差图像分量的排列。
[0053]此处，根据在摄影时决定的观察者能够进行立体观察的视域区域以及用于决定该视域区域的视域基准面，分配从视差图像切出的视差图像分量。另外，该分配的各视差图像分量属于某一个群组(要素图像)，依照图4所示的流程，对该群组(要素图像)内的排列位置进行分类。
[0054]如果连续地输入了所制作的投射图像的图案，则在图4所示的步骤SlO中开始各视差图像分量的位置以及视差图像分量所属的群组的解析。在步骤S12中，通过j={(n-l)/K的余数}+1来决定各视差图像分量的群组内的位置。此处，K是构成群组(要素图像)的视差像素分量的数量，等于视差数m。在图3所示的例子中，K是4，N为16。因此，在图3所示那样的图案中，例如，图像图案(投射图像)的第I个(n=l)是n=l，所以{ (n-1)/K的余数}是零，某个群组内的编号j={ (n-1)/K的余数}+1是I (=j)，决定为在某个群组内排列在第I个。接下来，在步骤S14中，根据式[{(n-l)/K的小数点以下舍去}+1]决定各视差图像分量所属的群组(要素图像)。例如，图像图案(投射图像)的第I个(η=1)是η=1，所以{ (n-1)/K的小数点以下舍去}是零，[{ (n-1)/K的小数点以下舍去}+1]是“+1”，所以某个群组被决定为第I群组(第I要素图像)。在图3所示的图像图案(投射图像)中，关于第I个U=I)视差图像分量LI，决定为在第I群组(第I要素图像)内是第I个(=j)而储存到存储器中。
[0055]在步骤S16中，确认η是否达到最大值N，如果未达到，则在步骤S18中，η递增I个而返回步骤S12。在步骤S12中，再次求出j ( = { (η-1)/Κ的余数}+1})。在图3所示的例子中，例如，图像图案(投射图像)的第2个(η=2)是η=2，所以{ (n_l)/K的余数}成为1，某个群组内的编号j被决定为2。接下来，在步骤S14中，根据式[{ (n-1)/K的小数点以下舍去}+1]决定各视差图像分量所属的群组(要素图像)。在图3所示的例子中，例如，图像图案(投射图像)的第2个(n=2)是n=2，所以{ (n_l)/K的小数点以下舍去}是“0”，[{ (n-D/K的小数点以下舍去}+1]是“+1”，所以某个群组被决定为第I群组(第I要素图像)。关于图3所示的图像图案(投射图像)的第2个(n=2)视差图像分量CL1，决定为在第I群组(第I要素图像)内是第2个(=j)而储存到存储器中。
[0056]同样地，反复步骤S12?S18，例如，关于图3所示的图像图案(投射图像)的第3个(n=3)视差图像分量CL1，决定为在第I群组(第I要素图像)内是第3个(=j)而储存到存储器中，关于图3所示的图像图案(投射图像)的第4个(n=4)视差图像分量CL1，决定为在第I群组(第I要素图像)内是第4个(=j)而储存到存储器中。
[0057]在步骤S12中，如果(η-l)超过K，则例如，在是n=5的情况下，在步骤S12中，根据j ( = { (n-l)/K的余数}+1)求出j=l而解析为排列在某个群组的第I个。然后，在步骤14中，根据[{ (n-1)/K的小数点以下舍去}+1]解析为某个群组是第2群组。另外，例如，在是n=6的情况下，同样地反复步骤S12?S18，解析出与该n=6相当的视差图像分量被排列在第2群组的第2个。
[0058]反复步骤S12~S18直至η成为最大值N，如果η达到最大值N，则在步骤S20中结束处理而解析图3所示那样的投射图像的图案的各视差图像分量的位置以及群组并储存到存储器中。
[0059]在图3所示的投射图像的图案中，柱状透镜面上的柱面透镜边界被决定为所投射的像素的边界。因此，以与该边界位置一致的方式形成的柱面菲涅尔透镜面的阶梯部也成为所投射的像素的边界。针对每个像素分割投射光，只要避开作为边界的阶梯部来入射，则所形成的视差图像的画质就不会劣化。另外，即使在每个像素的投射光中有少量的位置偏移、扩展的情况，该阶梯中的视差图像的画质劣化也轻微。
[0060]如上所述，需要使柱面菲涅尔透镜的阶梯部和柱状透镜的边界部的位置正确地对齐，但在本实施例的一体化了的透镜中从最初以位置对齐的状态制作，所以相比于使用单独的2张透镜的情况，不单是零件个数减少的成本方面，而且在装置安装状态下不需要位置对准调整等操作的简便化以及装置整体的可靠性提高方面也是有利的。
[0061](第2实施方式)
[0062]作为第2实施方式，也可以代替图3所示的图案，而形成图5所示那样的投射图像的图案。经由在图6所示的流程图中示出的工序，制作该图5所示的投射图像的图案。
[0063]在图5所示的投射图像的图案中，与图3所示的图案同样地，水平视野内的4个像素与柱状透镜202上的柱面透镜要素202Α的间距一致。图5所示的投射图像的图案与图3所示的图案不同，在视差图像分量L1、Cl、Rl的群组的开头配置了图像(投射像素)Β0,并且，在视差图像分量L1、C1、R1的群组以及视差图像分量L2、C2、R2的群组之间配置了图像(投射像素)BI。另外，图像(投射像素)B2配置于视差图像分量L2、C2、R2的群组以及视差图像分量L3、C3、R3的群组之间。同样地，图像(投射像素)B3、B4配置于视差图像分量的群组之间。此处，与图3所示的图·案同样地，像素LI~L4相当于左方向的视差图像分量，像素Cl~C4相当于中央方向的视差图像分量，并且，像素Rl~R4相当于右方向的视差图像分量。关于针对这些3视差图像分量(投射像素)的每一个插入的像素BO~B4，在显示装置中显示了图像时，包括这些像素BO~B4的投射光线(在投射光线完全不具有亮度的情况下，黑色的投射像)朝向柱状透镜202面上的柱面透镜要素202A的边界。另外，由于这些像素BO~B4实质上不具有亮度，所以作为黑的带状像素(非点亮像素)在柱面透镜要素202A的边界中形成投射图像(非点亮图像)。因此，以使构成视差图像分量的光线实质上不入射到阶梯，而避开阶梯来入射的方式，形成投射图像。其结果，防止所形成的视差图像的画质劣化。
[0064]另外，在图5所示的投射图像的图案中，准备3张(m=3)视差图像L、C、R，从I张视差图像(L、C或者R)，取出3 (K=3)张视差图像分量(像素或者像素组)而分配给4个群组的图像图案。在具有亮度的投射视差图像分量(投射像素)L1、C1、Ri的两侧配置不具有亮度的分量图像(投射像素)，投射图像的图案通过由具有亮度的投射视差图像分量(投射像素)LiXi,Ri以及不具有亮度的分量图像(投射像素)Bi构成的图像群组的反复构成。因此，图5所示的投射图像的图案由第I~第4图像群组构成。此处，如已经说明那样，根据视域区域以及视域基准面，分配从视差图像切出的视差图像分量，依次输入投射视差图像分量(投射像素)1^、以、虹以及不具有亮度的分量图像(投射像素)Bi。另外，该被分配的各视差图像分量属于某一个群组(要素图像)，依照图6所示的流程对该群组(要素图像)内的排列位置进行分类。
[0065]另外，在图6所示的流程图中，对与图4相同的步骤附加同一符号而省略其说明。但是，在图5所示的投射图像图案的排列中，最初的图像图案(投射图像:n=0)被决定为非点亮图像(黑的带状像素)B0。该最初的非点亮图像(黑的带状像素)BO成为第零个。
[0066]如果连续地输入了投射图像的图案，则在图6所示的步骤SlO中开始各视差图像分量的位置以及视差图像分量所属的群组的解析。在步骤22中，通过j= In/ (K+1)的余数}+1决定各视差图像分量的群组内的位置。此处，K是构成群组(要素图像)的视差像素分量的数量，等于视差数m。在图5所示的例子中，K是3，N成为16。因此，在图5所示那样的图案中，例如，图像图案(投射图像)的第I个U=I)是n=l，所以In/ (K+1)的余数}是零，某个群组内的编号j=ln/ (K+1)的余数}+1是I (=j)，被决定为在某个群组内排列在第I个。接下来，在步骤S24中，并非j=0，所以在步骤S26中，根据式[In/ (K+1)的小数点以下舍去}+1]决定各视差图像分量所属的群组(要素图像)。例如，图像图案(投射图像)的第I个(n=l)是n=l，所以In/ (K+1)的小数点以下舍去}是零，[{η/ (K+1)的小数点以下舍去}+1]是“+1”，所以某个群组被决定为第I群组(第I要素图像)。在图5所示的图像图案(投射图像)中，关于第I个(n=l)视差图像分量LI，被决定为在第I群组(第I要素图像)内是第I个(=j)而储存到存储器中。
[0067]经由步骤S16以及步骤S18再次返回到步骤S22，在步骤S22中，j= {η/ (K+1)的余数}被求出为j=2，在步骤S12中，某个群组被决定为第I群组(第I要素图像)而解析为在该第I群组(第I要素图像)内被排列在第2个(j=2)位置。
[0068]在步骤S22中，如果η达到(K+1)，则步骤S22中的余数成为零。因此，在步骤S24中设为j=0而进入到步骤S28，图像图案(投射图像)的第4个(n=4)被决定为接着第I群组的非点亮图像BI (黑的带状像素)，提供非点亮图像(黑的带状像素)BI而储存到存储器中。
[0069]接下来，η成为5。步骤S22中的余数再次成为1，并且，在步骤S24中并非j=0，决定为点亮图像(视差图像分量)而进入到步骤S26。在该步骤S26中，成为[In/ (K+1)的小数点以下舍去} ] =1，所以决定为第2群组，被决定为n=5的视差图像分量排列在第2群组内的最初(j=l)。
[0070]经由步骤S16以及步骤S18而η设为6，再次返回步骤S22，在步骤S22中，j( = [ In/(K+1)}的余数])被求出为2，在步骤S24中并非j=0，而决定为点亮图像(视差图像分量)进入到步骤S26。在该步骤S26中，被设为[In/ (K+1)的小数点以下舍去} ] =1，所以决定为第2群组，被决定为n=6的视差图像分量排列在第2群组内的第2个(j=2)。
[0071]如上所述，针对视差数K，投射图像的像素被依次排列为形成第I?K个视差图像分量的像素，第(K+1)个像素反复设为不对视差作出贡献而不具有亮度的非显示(非点亮)，来决定出投射图像图案。因此，如图5所示，以使来自像素的光不投射到柱面菲涅尔透镜201的棱镜要素201A之间的边界部分、换言之以投射不具有亮度的像素的方式，在图像图案中配置了非显示(非点亮)像素。因此，成为向以与该边界位置一致的方式形成的柱面菲涅尔透镜201的阶梯部，也不投射光线。在图5所示的光学系统中，相比于图3的光学系统，代替在同一投射条件下将视差数减少一个这样的情况而设置I像素宽的非投射区域，虽然投射像素的利用效率多少有所减少，但即使在每个像素的投射光中有少量的位置偏移、扩展的情况下，也能够避免阶梯部地进行入射，所以能够避免阶梯中的视差图像的画质劣化。
[0072]即使在图5所示的光学系统中，也需要使柱面菲涅尔透镜要素201A的阶梯部和柱面透镜要素202A的边界部的位置正确地一致，所以在一体化了的透镜103中，以从当初位置就被对齐了的状态来进行制作，所以相比于使用单独的2张透镜的情况，不单是零件个数减少的成本方面，而且在装置安装状态下不需要位置对准调整等处置的简便化以及装置整体的可靠性提高的方面中也是有利的。
[0073](第3实施方式)
[0074]参照图7，说明第3实施方式。
[0075]如比较图2和图7可知，在第3实施方式的光学系统中，相比于第I实施方式的光学系统，一体透镜103的构造不同。在第I实施方式中的一体透镜103中，柱面菲涅尔透镜201中的棱镜要素201A的阶梯间距与柱状透镜202的柱面透镜要素202A的间距一致。但是，如果阶梯的位置和柱面透镜要素202A之间的边界位置对应，则视差图像的画质不会劣化，所以柱面菲涅尔透镜301的棱镜要素301A之间的作为无效区域的阶梯无需一定与柱状透镜302的柱面透镜要素302A之间的作为无效区域的边界处于对应关系，也可以如图7那样减少阶梯数，而使棱镜要素301A之间的阶梯的间距成为柱面透镜要素302A的间距的整数倍。
[0076](第4实施方式)
[0077]参照图8来说明第4实施方式。
[0078]在第I实施方式中的光学系统中，一体透镜103通过入射侧的柱面菲涅尔透镜201使投射光线平行，所以该棱镜要素201A的阶梯间距与出射侧的柱状透镜202的柱面透镜要素202A的间距一致。相对于该第I实施方式，在第4实施方式中的光学系统中，一体透镜103不通过入射侧的柱面菲涅尔透镜501使投射光线平行(准直)，而使投射光线通过柱面菲涅尔透镜501折射而在水平视野内收敛(会聚)。以变更光线角度而使收敛了的光线入射到出射侧的柱状透镜502的方式，控制来自视差图像的光线方向。在图9 Ca)以及(b)中比较说明这样成为收敛光线的实施方式以及成为平行光线的实施方式中的光线轨迹。
[0079]图9 Ca)示出设为平行光线的光学系统的俯视图，图9 (b)示出设为收敛光线的光学系统的俯视图，在两个俯视图中，示出通过一体透镜603的柱状透镜变更朝向的水平视野内的投射光线的偏转范围。从图像投射器601入射到图像显示部602的一体透镜603的光线的轨迹在图9 (a)以及图9 (b)中都相同的，但在图9 (a)中，平行光线入射到一体透镜603的出射侧的柱状透镜。在该光学系统中，从画面内的任意位置，都在同一偏转角度范围内出射光线，经由扩散板604观测图像。因此，在离开某观测距离L而观测画面的情况下，产生可观测全部画面的的范围A、可观测画面的一部分的的范围B、不能观测全部画面的范围C。另一方面，在图9 (b)中，在一体透镜603内，收敛光线入射到出射侧的柱状透镜，根据画面内的位置，所出射的光线的偏转角度范围不同。在离开观测距离L而观测画面的情况下，同样地产生可观测全部画面的的范围A’、可观测一部分画面的范围B’、不能观测全部画面的范围C’。但是，从图9 (a)以及图9 (b)的比较来看，范围A〈范围A’。S卩，相比于投射光线被设为平行光的光学系统的情况，在投射光线被收敛的光学系统中，能够将可观测全部画面的的范围设定得更宽。另外，在变换为该收敛光线的图8所示的一体透镜103中，关于柱面菲涅尔透镜501的阶梯位置和柱状透镜502的柱面透镜要素502A之间的边界位置，提供考虑了收敛光线的角度的对应关系。更详细而言，按照以收敛光线的角度决定的缩小倍率对阶梯间距进行缩小而决定透镜要素502A的透镜间距，决定各个边界位置。因此，柱面菲涅尔透镜501的棱镜要素501A以及柱状透镜502的柱面透镜要素502A的间距不一致，但与第I实施方式同样地，在该实施方式中，形成视差图像的光线也避开柱面菲涅尔透镜的阶梯部而入射到柱面菲涅尔透镜。
[0080]另外，在该实施方式中，采用了使投射光线收敛的光学系统，但不限于这样的光学系统，能够在控制为任意的光线角度的光学系统中设计一体透镜的构造。
[0081](第5实施方式)
[0082]图10 Ca)以及(b)示出第5实施方式的光学系统的结构图。与第I实施方式同样地，显示装置由图像投射器701以及图像显示部702构成，并且，图像显示部702具备一体透镜703以及扩散板704。在图1所示的第I实施方式中，在一体透镜103中，在水平方向上使投射光线平行并且分离视差图像，但在图10 Ca)以及(b)所示的第5实施方式中，通过一体透镜703同样地针对水平方向使投射光线平行并且分离视差图像，针对上下方向(垂直视野内)也使投射光线平行。
[0083]图11 (a)以及(b)示出第5实施方式的一体透镜703的构造。在图2所示的第I实施方式的一体透镜103中，通过入射侧的柱面菲涅尔透镜201，投射光线仅在水平视野内被平行，该柱面菲涅尔透镜201的阶梯间距与出射侧的柱状透镜202的柱面透镜要素的间距一致。第5实施方式的一体透镜703如在图12中该表面形状用立体图以及断面图所示那样，形成为二维菲涅尔透镜801。此处，一般的二维菲涅尔透镜在棱镜要素之间具备同心圆状的阶梯，相反，在第5实施方式的一体透镜中，如图12所示，在矩形棱镜要素排列之间，具备正交的2个方向的直线状的阶梯(格子状的阶梯)。I个方向的阶梯和第I实施例同样地，与柱状透镜802的各个柱面透镜要素的方向平行，而且阶梯间距与该柱面透镜要素的间距一致，与无效区域相当的阶梯的位置和与柱面透镜要素之间的无效区域相当的边界位置一致。关于投射到该一体透镜703的投射图像，如上述实施方式那样相对柱状透镜802的柱面透镜要素的边界位置也与投射像素的边界一致、或者使得对应非点亮像素来制作。在该第5实施方式中，光线也避开作为无效区域的阶梯部而入射到二维菲涅尔透镜，所以能够防止所投影的视差图像的画质劣化。
[0084]另外，在图11所示的第5实施方式的光学系统中，与第I实施方式同样地，二维菲涅尔透镜使投射光线平行，视差分离方向的阶梯的间距与柱状透镜的柱面透镜要素的间距一致。但是，即使在与第4实施方式同样地控制为平行以外的角度的情况下，只要以与柱状透镜的柱面透镜要素的边界位置对应的方式设计视差分离方向的阶梯即可。另外，另一方的阶梯的方向无需一定与柱状透镜的各个柱面透镜要素的方向正交，进而阶梯的间距也不需在2个方向上一致。
[0085](第6实施方式)
[0086]图13 (a)、(b)以及(C)不出第6实施例的一体透镜103。进一步关于该一体透镜103，图13所示的二维菲涅尔透镜901的相反面并非形成于柱状透镜，而形成于二维透镜阵列902。在上述各种实施方式中，全部仅对I个方向、例如水平方向(水平视野内)赋予了视差，但在图13所示的一体透镜103中，能够对正交2个方向、即水平以及垂直方向(水平以及垂直视野内)赋予视差。通过透镜阵列902，投射光线被二维地偏转，所以在图13 (a)、(b)以及(C)所示的本实施例的结构图中，不使用扩散板。
[0087](第7实施方式)
[0088]图14 (a)以及图14 (b)示出第7实施方式的结构。在上述实施方式中，为了生成视差采用了 I张柱状透镜(仅I面形成为柱状透镜面的柱状透镜)。相对于此，在图14 (a)以及(b)所示的图像显示部1102中，采用了如下光学系统:除了在一体透镜1103中作为偏转元件设置了柱状透镜以外，在该一体透镜1103与扩散板1105之间还设置了作为偏转元件的柱状透镜1104，并且组合了 2张柱状透镜1104。此处，也可以在一体透镜1103中不设置柱状透镜，而柱状透镜1104的两面被形成为柱状面。通过这样组合2张柱状透镜，能够实现更多的视差数，并且能够实现降低了串扰的视差分离。
[0089]图15是示出第7实施方式的光学系统中的水平视差面内的光线轨迹的说明图。与参照图3说明同样地，以使水平方向的4个像素与第I柱状透镜1112的柱面透镜要素的间距一致，并且使与无效区域相当的像素边界与和第I柱状透镜1112的柱面透镜要素的无效区域相当的边界一致的方式进行投影。在该光学系统中，在从第I柱状透镜1112出射的各视差图像用的光线被聚光的位置，配置了第2柱状透镜1114。
[0090]图16 Ca)是示出用视差编号表示的二维投射像素(视差图像分量)被投影到第I柱状透镜1112的背面侧的平面配置的说明图，图16 (b)是示出第I柱状透镜1112 (虚线所示)与第2柱状透镜1114 (实线所示)的配置关系的说明图，图16 (c)是示出从第2柱状透镜1114出射到观察者侧前方的二维投射像素(视差图像分量)的投影方向的说明图。
[0091]在图15中，仅示出水平视野方向的像素排列(视差图像分量的排列)，但如图16(a)所示，从投射器1101向显示部1102，投射了二维的像素排列(视差图像分量的排列)。如该图16 (a)所示，在第I柱状透镜1112的背面侧投影了二维的像素排列(视差图像分量的排列)。此处，在第I柱状透镜1112中，柱状透镜1112的柱面透镜要素的边界与像素排列(视差图像分量的排列)的纵向(垂直方向)平行，其间距(水平方向间距)被设定为等于水平方向的4个像素大小。因此，如图16 (b)所示，在第I柱状透镜1112的出射位置，以纵向排列了水平视差方向的每4个像素的聚光光线的状态，排列像素排列(视差图像分量的排列)。在图16 (b)中，例如，对像素排列(视差编号为I?4的像素)的投射光线被聚光了的区域，代表地附加了“I”。另外，在该聚光位置配置了第2柱状透镜1114。在该第2柱状透镜1114中，该柱面透镜要素以及其边界相对第I柱状透镜1112倾斜了 45度。因此，在垂直平面内，聚光光线以相对第2柱状透镜1114的柱面透镜要素以及其边界方向成45度的方式入射。其结果，从第2柱状透镜1114出射的投射光线如图16 (c)所示针对每个纵像素(垂直方向像素)向4个方向偏转,进而针对该各纵像素的偏转方向，通过第I柱状透镜1112聚光了的横向(水平方向)的4个像素量的投射光被扩散地出射。即，能够按照所投射的二维的像素排列的纵横各4个像素的单位，在4X4=16个方向上显示视差图像。即使在该实施方式中，从图像投射器1101向图像显示部1102投射的投射像素的边界也对应于第I柱状透镜1112的柱面透镜要素的边界位置，所以以与该边界位置一致的方式形成的柱面菲涅尔透镜的棱镜要素之间的阶梯部也成为所投射的像素的边界，能够避免视差图像的画质劣化。
[0092](第8实施方式)
[0093]图17示出第8实施方式的光学系统的结构图。与图14所示的第7实施方式同样地，在该第8实施方式中，通过组合2张柱状透镜，也能够实现更多的视差数。
[0094]如图17所示，图像显示装置由图像投射器1201和图像显示部1202构成，图像显示部1202的柱面菲涅尔透镜1203与一体透镜1204独立地设置，在柱面菲涅尔透镜1203与扩散板1205之间设置的一体透镜1204中，第I柱状透镜以及第2柱状透镜1206、1207分别设置于一体透镜1204的入射面侧以及射出面侧，实现了 2张柱状透镜的组合(2面构造的柱状透镜)。
[0095](第9实施方式)
[0096]图18示出第9实施方式的光学系统的结构图。在上述实施方式中，使用了一体化的透镜，但代替一体化的透镜，在第9实施方式中，通过独立的零件实现一体化透镜的功能。即，也可以如图18所示，对柱面菲涅尔透镜1303和柱状透镜1304独立地进行零件化。即使不使用一体化的透镜，也能够同时提高立体观察以及视差图像的画质是的必然的，但在透镜1303、1304之间需要设置状态下的位置调整。
[0097](第10实施方式)
[0098]图19示出第10实施方式的光学系统的结构图。在上述实施方式中，来自图像投射器的投射光线形成了视差图像。但是，在该第10实施方式中，液晶面板1403显示视差图像，从光线投射器1401投射光线被投射到液晶面板1403，但该投射光线是不包含图像的背光光线，以均匀的照度对液晶面板1403进行照明。即，从光线投射器1401向图像显示部1402投射背光光线，透射了图像显示部的液晶面板1403的光线入射到一体透镜1404，视差图像显示于扩散板1405。此处，背光光线具有指向性，通过使液晶面板成为背光，液晶面板1403的出射光线如已经说明，为与从图像投射器投射的形成视差图像分量的光线等价。因此，与从液晶面板1403射出的光线有关的说明与上述实施方式相同，所以其说明省略。
[0099]如以上叙述，根据实施方式，图像显示装置能够同时提高立体观察和视差图像的画质。
[0100]在上述说明中，说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式仅为例示而提出，并不意图用来限定发明的范围。这些新的实施方式能够通过其他各种方式来实施，能够在不脱离发明的要旨的范围内，进行各种省略、置换、变更。这些实施方式、及其变形包含于发明的范围、要旨中，并且包含于权利要求书记载的发明和其均等范围中。
【权利要求】
1.一种图像显示装置，其特征在于，具备: 光线投射单元，投射包含多个视差图像分量的光线； 光线角度变更单元，被入射从所述光线投射单元投射的光线，使该入射了的光线大致平行而出射；以及 视差分离单元，被入射从所述光线角度变更单元出射的光线，以与该入射了的光线所包含的所述视差图像分量相应的角度分离该视差图像分量而投影到观察区域侧，该视差分离单元具有排列有多个柱面透镜要素、并在相互邻接的柱面透镜要素之间具有边界的柱状透镜， 所述视差图像分量通过除了所述边界以外的所述柱面透镜要素的区域。
2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于， 所述光线角度变更单元具有使所入射的光线在所述柱状透镜中以能够进行视差分离的角度出射的有效区域以及该有效区域之间的无效区域，所述视差图像分量入射到所述有效区域。
3.根据权利要求2所述的图像显示装置，其特征在于， 所述光线角度变更单元是在棱镜要素之间具有阶梯的菲涅尔透镜，所述光线角度变更单元的无效区域相当于该棱镜要素之间的阶梯。
4.根据权利要求3所述的图像显示装置，其特征在于， 所述视差图像分量入射到所述菲涅尔透镜的除了所述阶梯以外的区域。
5.根据权利要求4所述的图像显示装置，其特征在于， 所述菲涅尔透镜的阶梯是直线形状，所述菲涅尔透镜的阶梯的方向与所述柱状透镜具有的所述边界平行。
6.根据权利要求4所述的图像显示装置，其特征在于， 所述菲涅尔透镜针对至少二个以上的方向分别具有平行的多个阶梯，该阶梯的方向的一个方向与所述柱状透镜具有的所述边界平行。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的图像显示装置，其特征在于， 所述光线角度变更单元和所述视差分离单元一体地被形成。
【文档编号】H04N13/00GK103869483SQ201310665250
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年12月10日 优先权日:2012年12月10日
【发明者】长谷川裕, 立田真一 申请人:株式会社东芝