JP2018045217A - 遠景画像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示された画像を遠景として自然に十分に遠くに観測することである。【解決手段】レンズの前側焦点面に画像からの光に対して複数の開口を設けたマスクを配置し、この複数の開口を出射した光をレンズを通して両眼で観測する構成をとり、開口の径を光の波長よりやや大きく、かつ約２ミクロンメートル以下で形成することによって、レンズを通過した光は、少なくとも両眼の間隔やレンズの口径よりも広い幅を有するほぼ平面波となる。これにより、画像を遠景として十分に遠くに観測する。【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示装置に表示された画像を遠景（遠方の物体）として観測する遠景画像装置に関するものである。

実際に人が遠景を見るとき、遠景を構成する物体と両眼との距離が十分に大きいので物体の各点からの光線は平面波となり、両眼の水晶体等のレンズ作用により網膜上に遠景の倒立像が映し出される。人が遠景であると自然な距離感覚を得るには、両眼が同じ方向を向き、両眼と物体とを結ぶ二つの線が作る角度である両眼視差がほぼゼロであることと、同時に両眼の水晶体の厚さを調節するピント調節作用が平面波を網膜に結像させるように水晶体を薄くしていることが必要となる。

遠景画像装置は一般には知られていないが、近い技術の装置として立体像を観測する立体画像装置がある。立体画像装置には多くの方式が提案されているが、一方式として、液晶表示装置によって偏向方向を切り替えた右眼用画像と左眼用画像を作製し、偏向眼鏡を通して右眼と左眼で各々の画像を観測することにより、右眼と左眼の両眼視差から立体視させる装置が知られている。

しかし、上記の立体画像装置において遠景を観測する場合、右眼と左眼の正面に同一の画像を表示すると両眼視差はゼロになるが、両眼のピント調節作用は画像の表示体に対して働き、遠くを見るときのような両眼のピント調節作用が発生しないため、画像が遠景であると認識できないという問題があった。観測者は両眼視差とピント調節による距離感覚が一致せず、距離感覚が不自然になり、眼の疲労や気分が悪くなるという欠点があった。

古くは浮絵といわれた装置があり、絵をレンズを通して観測することにより遠近感が得られるとされた。浮絵に近い方式の装置で、特開１９９７−２４３９６０号公報には可変焦点レンズを通して画像表示部を両眼で観測する立体画像装置も提案されている。可変焦点レンズの焦点距離を変えながら画像表示部の虚像をつなぎ合わせて立体像を観測するものである。

この方式のようにレンズを通して両眼で画像を観測した場合、画像表示部をレンズの焦点面に配置しても、画像が遠方にあるとは認識できず、画像を遠景として観測できないという問題があった。

特開１９９７−２４３９６０号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来の立体画像装置では画像を遠景といえるほど十分に遠くに観測できない点である。

本発明は、画像を遠景として十分に遠くに観測するため、レンズの前側焦点面に画像からの光に対して複数の開口を設け、この複数の開口を出射した光をレンズを通して観測する構成をとり、レンズを通過した光が少なくとも両眼の間隔やレンズの口径より広い幅を有する平面波になるように、開口の開口径を波長よりやや大きく、かつ２ミクロンメートル以下に設定したことを最も主要な特徴とする。

本発明の遠景画像装置は、画像からの光を微小開口とレンズの作用で生成した平面波を両眼で観測するため、両眼視差がほぼゼロでピント調節を遠景に合わせて画像を観測でき、画像を遠景として自然に認識できる効果を有する。

本発明の遠景画像装置の実施例１の概略図である。 本発明に使用されるマスクを付けた画像表示装置の説明図である。 本発明に使用される画像表示装置としてのＬＥＤパネルの説明図である。 本発明に使用されるマスクを付けたＬＥＤ素子の説明図である。 本発明の遠景画像装置の実施例２の概略図である。 本発明の遠景画像装置の実施例３の概略図である。 本発明の遠景画像装置の実施例４の概略図である。 本発明の原理を示す説明図である。

本発明は画像を遠景として観測するという目的を、既存の２次元の画像表示装置と簡易な構成で実現した。

図１は、本発明の遠景画像装置の実施例１の概略図であって、１は画像表示装置であり、例えば液晶表示パネルや有機ＥＬパネル等の２次元の表示装置であり、バックライトで照射される透過タイプの写真や絵画でもよい。２は凸レンズで、例えば、ガラス凸レンズやフレネルレンズであり、単レンズに限らず複数枚のレンズや光学部品を含む光学系であるが、以降は単にレンズと記載する。焦点距離はｆで口径はＤである。４はマスクで画像表示装置１の表示部に密接して付けられている。マスク４の位置はレンズ２の前側焦点面である。遠景画像装置１０は画像表示装置１、マスク４、レンズ２で構成される。３は観測者の両眼であり、観測位置はレンズ２の後側焦点のあるレンズ２の後方である。レンズ２の口径Ｄは少なくとも両眼間隔（約６５ｍｍ）より大きい。

図２は本発明に使用されるマスクを付けた画像表示装置の説明図であり、正面図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。マスク４は拡大図に示す如く、開口５は光の透過部であり、他部は光の不透過部である。開口５は開口径ｄの矩形形状または円形形状で２次元に並び、画像表示装置１の画素に対して１個から複数個が対応する。マスク４の開口率を高めるには複数個が有利である。マスク４は薄い透明なフィルム基材やガラス基材に、光に対して不透明な薄い金属膜を面上にメッキや蒸着で形成した後、レーザ加工機やエッチングプロセスで開口５の金属膜を除去して作製する。または、マスク４は半導体生産のマスク板と同様に銀塩プロセスを使って作製する。

図８は本発明の原理を示す説明図である。遠方物体３３が遠方にあるので遠方物体３３の一点から出た光の一部は平面波Ｗ１となってレンズ３０に入射する。平面波Ｗ１はレンズ２０によって収束する球面波Ｗ２となり、レンズ３０の焦点面Ｆに集光される。焦点面Ｆを通過したＷ２は発散する球面波Ｗ３となる。前側焦点面が焦点面Ｆに一致するレンズ３１に入射したＷ３は平面波Ｗ１と同様な平面波Ｗ４となる。両眼３で平面波Ｗ４を観測すると、遠方物体３３が倒立して遠方に見え、遠方の距離感覚は直に遠方物体３３を見たときとほぼ同等である。仮に焦点面Ｆに透過型拡散板を配置して観測すると、遠方物体３３の像の形状は維持されるが遠方の距離感覚が消える。これは拡散板によってＷ３が球面波でなくなったためで、単にレンズの焦点面に画像表示体をおいてレンズを通して両眼で観測しても画像が遠方には見えないことと同じ現象である。

本発明は図８の焦点面Ｆ以降を再現するものであり、図１において、マスク４の開口５の開口径ｄを可視光の波長よりやや大きい値に設定すると、回折の現象からＷＩは発散する球面波となる。

一般に知られるフラウンホーファ回折による強度分布は、開口５が径ｄの矩形形状のとき、開口５から距離ｆ離れたレンズ２の位置で、λｆ／ｄ（波長λ）の２倍の径を有する分布となる。開口５が径ｄの円形形状であれば、１．２２λｆ／ｄの２倍の径を有する分布となる。図１においてＷＩの強度分布の径がレンズ２の口径Ｄより大きい条件は、２λｆ／ｄ＞Ｄになり、つまり２λｆ／Ｄ＞ｄとなる。さらにレンズの明るさを示すｆ／Ｄを２、波長λを０．５μｍとすると、ｄ＜２μｍとなる。開口径ｄは約２μｍ以下であれば、開口５からの回折光はレンズ２の口径Ｄ以上に広がる。

本発明ではマスク４の開口５の開口径ｄは、発散する球面波ＷＩを得るため、同時に球面波ＷＩをレンズ２の口径Ｄ以上に広げるため、可視光の波長よりやや大きく、かつ約２μｍ以下とした。

図１において本発明の動作を説明すると、画像表示装置１の画素から発光した光の一部はマスク４の開口Ｐ１を通過する。開口径ｄは可視光の波長よりやや大きく、かつ約２μｍ以下なので、発散する球面波ＷＩが発生する。開口Ｐ１はレンズ２の前側焦点面にあるので、レンズ２に入射した球面波ＷＩは平面波ＷＯになる。平面波ＷＯは開口Ｐ１とレンズ２の中心を結ぶ線Ｑと平行に進み、観測者の両眼３に入射する。観測者の両眼３は平面波ＷＯに対して両眼視差がほぼゼロで、同時にピント調節を遠方に合わすので、線Ｑの延長方向の遠方に開口Ｐ１の像を観測し、他の開口も同様に観測するので、画像表示装置１の画像が遠方にあると観測され、画像が遠景であると自然に認識される。

レンズ２を大型にして口径Ｄが両眼３の間隔より十分に大きければ、両眼３を移動して観測でき、さらに複数の観測者が同時に観測できる。

図３は本発明の画像表示装置１として使用されるＬＥＤパネルの説明図であって、１１はＬＥＤパネル、１２はＬＥＤ素子であり、ＬＥＤパネル１１はＬＥＤ素子１２が２次元に搭載され、図視されない駆動部によって画像を表示する。

図４は本発明に使用されるマスクを付けたＬＥＤ素子の説明図である。正面図と断面図である。ＬＥＤ素子１２のＬＥＤ発光部１３はマスク１４で被覆されている。マスク１４は金属薄膜等の発光を透過させない素材で形成される。マスク１４はＬＥＤ素子１２の製造工程の中で作製される。図２で説明したマスク４と同様に開口１５は開口径ｄの矩形形状または円形形状で、２次元に並ぶ。液晶表示パネルや有機ＥＬパネルでも、同様に製造工程の中でマスク４を作製することが可能である。

図５は本発明の遠景画像装置の実施例２を示す概略図である。実施例２の画像形成装置１７は右眼用構成と左眼用構成とが並び、両構成とも図１で説明した実施例１と同じ構成である。右眼用構成は、右眼用画像表示装置２１、右眼用マスク２４、右眼用レンズ２２であり、実施例１と同等なので詳細な説明は省略する。左眼用構成は左眼用画像表示装置２５、左眼用マスク２８、左眼用レンズ２６であり、実施例１と同等なので詳細な説明は省略する。右眼用レンズ２２の後方に右眼２３が左眼用レンズの後方に左眼２７が置かれる。

実施例２の画像形成装置１７の動作について図５で説明する。実施例１と同様に右眼用画像表示装置２１の画素から発光した光は右眼用マスク２４の波長に近い開口径の開口Ｐ２を通過して発散する球面波ＷＩ２が発生する。開口Ｐ２はレンズ２２の前側焦点面にあるので、レンズ２２に入射した球面波ＷＩ２は平面波ＷＯ２になり、右眼２３に入射する。同様に左眼用画像表示装置２５の画素から発光した光は開口Ｐ３を通過して平面波ＷＯ３となって左眼２７に入射する。右眼２３と左眼２７には別々の平面波が入射するが、開口Ｐ２とレンズ２２の中心を結ぶ線Ｑ２と開口Ｐ３とレンズ２６の中心とを結ぶ線Ｑ３が平行であると一つの平面波が入射することと同等になる。観測者の右眼２３と左眼２７は平面波ＷＯ２と平面波ＷＯ３に対して両眼視差がほぼゼロで、ピント調節を遠方に合わせるので、遠方に開口Ｐ２と開口Ｐ３を重ねて自然に観測する。他の開口も同様に観測される。右眼用画像表示装置２１と左眼用画像装置２５に同じ画像を表示すると画像が遠方にあると自然に観測される。

図６は本発明の遠景画像装置の実施例３を説明する概略図であって、実施例３の遠景画像装置１８は実施例１の構成に対してレンズ２に替えて可変焦点レンズ６を搭載している。画像表示装置１、マスク４、両眼３は実施例１と同様である。可変焦点レンズ６は電気的に駆動され、液晶の屈折率や液体面の形状が変化する現象を利用して焦点距離ｆｖを変更できる。７はレンズ駆動部であって、可変焦点レンズ６を電気的に駆動して焦点距離ｆｖを変更する。８は表示制御部であって、画像表示装置１の画像表示を制御する。

実施例３の遠景画像装置１８の動作について図６で説明すると、図示されない装置制御部は画像データと画像データを表示する位置までの表示距離ｂを入手し、画像データを表示制御部８に送付し、表示距離ｂから焦点距離ｆｖを算出し、レンズ駆動部７に送付する。焦点距離ｆｖは、表示距離ｂ、マスク４と可変焦点レンズ６との距離ａから、レンズの公式１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆｖより求められる。表示制御部８は送付された画像データによって画像表示装置１に画像を表示する。レンズ駆動部７は可変焦点レンズ６を電気的に駆動して送付された焦点距離ｆｖに変更する。実施例１と同様に画像表示装置１の画素から発した光はマスク４の開口から発散する球面波ＷＩとなる。球面波ＷＩは可変焦点レンズ６によって表示距離ｂ離れた面と線Ｑの延長の交点Ｓから発生した球面波ＷＸに変換される。両眼３によって画像表示装置１に表示された画像は表示距離ｂ離れた位置に観測される。これにより、順次、複数の画像を異なる距離に表示する。表示速度を上げれば遠景を含む立体像の表示も可能である。

図７は本発明の遠景画像装置の実施例４の概略図である。実施例４の遠景画像装置１９は図５で説明した実施例２の遠景画像装置１７に対して右眼用レンズ２３と左眼用レンズ２７に替えて右眼用可変焦点レンズ３６と左眼用可変焦点レンズ３７を搭載し、焦点距離ｆｖを変更可能にしている。３８は画像表示装置２１と画像表示装置２５の表示制御部であり、受信した画像データにより画像表示を行う。３９はレンズ駆動部でり、右眼用可変焦点レンズ３６と左眼用可変焦点レンズ３７を電気的に駆動して焦点距離ｆｖを変更する。その他の構成は図５で説明した実施例２と同じ構成であり、詳細な説明は省略する。

実施例４の遠景画像装置１９の動作について図７で説明すると、図示されない装置制御部は画像データと画像データを表示する位置までの表示距離ｂを入手する。表示距離ｂから両眼視差の値を算出し、両眼視差の値から画像データを左にシフトした右眼用画像データと右にシフトした左眼用画像データを作製し、表示制御部３８に送付する。また、表示距離ｂから実施例３と同様に焦点距離ｆｖを算出し、レンズ駆動部３９に送付する。表示制御部３８は受信した右眼用画像データを右眼用画像表示装置２１に表示し、左眼用画像データを左眼用画像表示装置２５に表示する。レンズ駆動部７は右眼用可変焦点レンズ３６と左眼用可変焦点レンズ３７を電気的に駆動して送付された焦点距離ｆｖに変更する。右眼用画像表示装置２１の画素から発した光はマスク２４の開口Ｐ２から発散する球面波ＷＩ２となる。球面波ＷＩ２は可変焦点レンズ３６によって表示距離ｂ離れた表示面と線Ｑ２の延長の交点Ｒから発生する球面波ＷＯ２に変換される。左眼用画像表示装置２５の対応する画素から発した光はマスク２８の開口Ｐ３から発散する球面波ＷＩ３となり、可変焦点レンズ３７によって表示距離ｂ離れた表示面と線Ｑ３の延長の交点Ｒから発生する球面波ＷＯ３に変換される。両眼視差を発生させる右眼用画像データと左眼用画像データによって、表示距離ｂ離れた面で線Ｑ２の延長線と線Ｑ３の延長線とは交点Ｒで交わる。右眼２３と左眼２７は同一の交点Ｒから発生する球面波ＷＯ２とＷＯ３を観測するので、両眼視差による距離とピント調節の距離が一致し、画像を表示距離ｂの位置に観測される。画像データと表示距離を変えて、順次表示すれば複数の画像を異なる距離に観測できる。表示速度を上げれば立体像の表示も可能である。

遠景画像装置では画像表示装置に表示した画像を遠方にあると観測し、自然に遠景として認識されるので、２次元画像の遠景表現に比べ、遠景のもつ情景や存在感を増加する効果がある。

実施例３と実施例４では遠景だけではなく、遠景より手前の画像も表現できるので、遠近感を増して遠景を表現するのにおおいに役立つ。

遠景画像装置は風景の動画や写真を遠景として観測できるので、風景写真、山岳写真の鑑賞等の個人用途、旅行カタログや不動産カタログ等のビジネス用途に広く利用可能である。パーソナルコンピュータ、タブレット、デジタルカメラ及び携帯電話の画像表示部にマスクとレンズを組み合わせることで遠景画像装置として使用でき、さらにマスクを画像表示部に内蔵すればレンズと組み合わせるだけで遠景画像装置に使用でき、遠景画像装置の機能を本体のアプリケーションとして利用可能である。図５の実施例２や図７の実施例４は、右眼と左眼に対応する構成のため、レンズの焦点距離を短くでき、装置を小型にできるのでウェアラブル端末や携帯用途に利用可能である。

１、２１、２５ 画像表示装置
２、２２、２６、３０、３１ レンズ
３ 両眼
４、１４、２４、２８ マスク
５、１５ 開口
６、３６、３７ 可変焦点レンズ
７、３９ レンズ駆動部
８、３８ 表示制御部
１０、１７、１８、１９ 遠景画像装置
１１ ＬＥＤパネル
１２ ＬＥＤ素子
１３ ＬＥＤ発光部
２３ 右眼
２７ 左眼
３３ 遠方物体

Claims (4)

1. 画像を表示する画像表示装置と、
   可視光の波長よりやや大きく、かつ２μｍ以下の開口径を有する開口が複数設けられ、前記画像表示装置の表示面に密接して配置されるマスクと、
   前記マスクの位置に前側焦点面を有する凸レンズと、
   前記凸レンズを通して前記マスクの複数の前記開口から発生する複数の光波を両眼にて観測する観測位置とを備え、
   前記画像表示装置で表示された前記画像を遠景として観測することを特徴とする遠景画像装置。
2. 画像を表示する右眼用画像表示装置と、
   可視光の波長よりやや大きく、かつ２μｍ以下の開口径を有する開口が複数設けられ、前記右眼用画像表示装置の表示面に密接して配置される右眼用マスクと、
   前記右眼用マスクの位置に前側焦点面を有する右眼用凸レンズと、
   前記右眼用凸レンズを通して前記右眼用マスクの複数の前記開口からの光波を観測者の右眼にて観測する右眼用観測位置と、
   画像を表示する左眼用画像表示装置と、
   可視光の波長よりやや大きく、かつ２μｍ以下の開口径を有する開口が複数設けられ、前記左眼用画像表示装置の表示面に密接して配置される左眼用マスクと、
   前記左眼用マスクの位置に前側焦点面を有する左眼用凸レンズと、
   前記左眼用凸レンズを通して前記左眼用マスクの複数の前記開口からの光波を観測者の左眼にて観測する左眼用観測位置とを備え、
   前記右眼用画像表示装置と前記左眼用画像表示装置で表示された画像を遠景として観測することを特徴とする遠景画像装置。
3. 請求項１の前記凸レンズが可変焦点レンズであって、前記可変焦点レンズの焦点距離を電気的に駆動することにより、観測される遠景画像の表示距離を変更することを特徴とする請求項１に記載の遠景画像装置。
4. 請求項２の前記右眼用凸レンズと前記左眼用凸レンズが可変焦点レンズであって、前記可変焦点レンズの焦点距離を電気的に駆動することにより、観測される遠景画像の距離を変更することを特徴とする請求項２に記載の遠景画像装置

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