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JP3972385B2 - Multi-view stereoscopic image display device - Google Patents
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JP3972385B2 - Multi-view stereoscopic image display device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体画像を表示観察する分野で有効に利用でき、TVゲームや3Dテレビ、CAD、芸術鑑賞など多くの分野で利用可能な多眼立体画像表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の技術としては、3次元ディスプレイ(増田千尋著、産業図書)に紹介されている以下のものがあげられる。例えばレンチキュラーレンズを用いて多眼立体画像を表示する構成は、同文献132頁の図8・31に紹介されている(図13)。これは、多数の画像投射ユニットを異なる位置に配し、レンチキュラスクリーンにそれぞれの画像を投射し、観察者が眼鏡なしでこれを観察するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、多数の画像投影機を用いると装置が大がかりになり、レンチキュラレンズシートも高価であるという欠点があり、これが多眼立体画像を実用化するするための妨げとなっていた。
【0004】
本発明は、上記課題を解決するもので、現在ディスプレイとして量産されている10インチから30インチ前後の大きさのCRTで、安定し且つ容易に、従って安価に眼鏡なし多眼立体表示装置を構成することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、CRTからなる画像表示手段と、画像表示手段とは別体に、前記画像表示手段に表示された画像の一部を透過させるように光透過部分と光遮蔽部分とを配列した画像透過手段と、光透過部分と光遮蔽部分とが配列された部材を移動させ、前記画像透過手段を透過した画像の光路を決定する画像光路決定手段を備え、前記画像表示手段、前記画像透過手段、前記画像光路決定手段の順に配置され、前記画像表示手段は3種類以上の複数の画像を順次繰り返し表示し、前記画像光路決定手段は前記画像表示手段に表示される画像の切り替え周期に対応して、その光の透過部分の空間位置を切り換えることにより前記画像の光路を順次切り替え、画像表示手段における画像表示位置に変動があっても前記複数の画像の観察可能位置を安定して空間上に順次並べるような構成である。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0007】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態の多眼立体画像表示装置の概要と光路を示すものである。図1において、1は画像を表示する表示手段、2は匡体、3は画像透過手段、4は画像光路決定手段、5は駆動手段、6a,bは観察者の目の位置を示し、7a,b,c,dは光路を示し、10は光路制御手段を示す。
【0008】
図2〜図4は本実施の形態の多眼立体画像表示装置の光路制御手段の詳細を示したもので、図1と共通なものは同じ番号を付している。図中8は駆動コイル、9は磁石、11は発光手段、12は受光手段である。
【0009】
図5は本実施の形態の多眼立体画像表示装置の画像信号と、光路制御手段10の制御を示す構成図である。図中21、22、21a、22aは画像を一時蓄えるメモリ、23は画像信号をモニター26に出力するためのバッファー、24はメモリ21、22、21a、22aを制御する制御手段、25は光路制御手段10を制御する駆動制御手段、26は画像を表示するモニターである。
【0010】
以上のように構成された本実施の形態の動作を説明する。多眼立体画像を表示する基本原理は、古くから知られている多視点から撮像された画像を観察できる領域が空間中に順次配置され、目の位置によって異なった視点の画像を観察可能にするものである。
【0011】
本実施の形態もこの原理にしたがったものである。空間中に異なる視点の画像を順次並べて観察可能にするために、図1において、画像表示手段(CRT)1の前面に光路制御手段10を設ける。この光路制御手段10は画像透過手段3と画像光路決定手段4により光路を定める。
【0012】
同図において、光路は7a,7b,7c,7d,a7,7b,7c,7d,・・・というふうに順次切替えられる。これに同期して、表示手段1の表示画像を、それぞれの光路の画像観察点A、B、C、Dに対応する画像に切替える。
【0013】
図2において、画像透過手段3と画像光路決定手段4で黒く示した部分は光を吸収し、白く示した部分は光を透過する。この光りの透過吸収手段の位置関係により、CRT1に表示された画像の光が進む方向が決定される。図で示した状態では7dで示した方向に光が進み、画像光路決定手段が5a,bの駆動手段により順次シフトして光の透過部分が少しずつ移動し、光は7a,7b,7c,7dの方向に順次進むように制御される。
【0014】
光の方向は画像透過手段3と画像光路決定手段4の相対位置関係だけで決まり、CRT1上で画像の表示位置が多少変化した場合でも、画像が光として進む方向は変化しない。
【0015】
また、図5は以上の動作を行なうための構成を示している。互いに異なる視点での画像が入力信号1、2、3、4であり、これらは一時メモリ21、22、21a、22aに書き込まれ順次バッファーに転送され、これがモニタに表示される。制御部24は、入力信号1、2、3、4が順次切り替わるように制御し、これに合わせて光路制御手段10が図2〜図4に示した光路に順次切り替わるように駆動制御手段25を動作させる。以上説明した画像信号の切り替わりのタイミングを示したのが図6、図7である。図6において、垂直同期信号に合わせて画像を1、2、3、4、1、2、3、4・・・というふうに切替えるこれに合わせて起動制御部25の駆動電流は階段状に変化し、これにより光路制御手段10の動作で光路が順次切り替わる。画像の切替えは、図6と同じでなくても良く、例えば図7に示すように、1、2、3、4、3、2、1、2、3、4・・・というように、三角波状に切替えてもよい。
【0016】
本発明の方式では、画像の位置の変化は、左右の画像のクロストークにならず、単なる視差の増減となるためである。
【0017】
また、絶対的な位置精度は不要で、相対的な位置の差のみが視差に対する誤差となるため、ゆっくりとした絶対位置の変化は全く立体画像として問題にならない。そのため、画像表示手段1は画像の明るさにより表示位置が多少変化するCRT方式にも、適用可能である。この点は従来の技術であるレンチキュラスクリーンと画像投射装置を組み合わせた方式と異なり、各画像の正確な位置合わせが不要である、という利点となる。また、図3、図4は画像透過手段3と画像光路決定手段4により決定される表示画像の光進行方向を更に詳しく示したものである。
【0018】
図3のように画像光路決定手段4の光透過部分を途切れなく配置すると、主ローブ、副ローブがつながり、観察者は左から右に頭部を移動すると、7a、7b、7c、7d、7a、7b、7c、7d・・・という風に多眼画像が順次サイクリックに表示される。この時、主ローブ観察時から副ローブ観察に移行する瞬間、表示画像の視点位置が不連続になる。
【0019】
図4のように、画像光路決定手段4の光透過部において、主ローブと副ローブとの間に光遮断部αを設けると、観察者は7a、7b、7c、7d、禁止帯、7a、7b、7c、7d、禁止帯・・・という風に画像を観察することになる。
【0020】
つまり、表示される多眼立体画像の視点が不連続の部分は何も表示されない禁止帯が存在し、視点が不連続になる位置を観察者が容易に認識できる。
【0021】
次に光路制御手段の制御について述べる。
画像透過手段3はCRTの前面に配置され、このさらに前面に配置した画像光路制御手段4越しに画像を観察した際、例えば図2〜図4の状態では画像が光路7dを通過して観察される。
【0022】
この時、他の光路7a〜cを通しては画像は観察されない。この時、光路7a〜cが空間上で重ならないように、画像光路決定手段4の光透過部分を光遮断部分よりも狭く設定すると異なる画像間のクロストークを低減することが出来る。ただし、狭くすると画面の明るさが低下するため、光透過部分の幅設定には注意を要する。
【0023】
次に画像光路制御手段4が少し移動した状態では、光路7cを通過して画像が観察され、順次画像光路制御手段4の位置が変化し光路7b、7aと変化する。
【0024】
画像光路制御手段4は駆動手段5a、5bによって保持され、駆動コイル8に駆動電流を流すことにより、磁石9による磁場から駆動力を受け、矢印で示す方向に微小量移動する。図6、図7に示すように駆動電流は垂直同期信号と同期して変化させ、図1のA〜Dに位置にフィールド毎に画像を提示する。フィールド周波数は120Hzとした場合には1眼のフィールド周波数が30Hzとなる。画像のフリッカの影響をなくすためには、フィールド周波数を240Hzにする必要がある。なお、本実施の形態では4眼の立体画像としたが、眼数が増えるに従って必要なフィールド周波数は増加する。
【0025】
次に、画像光路決定手段4を正確に一定量移動させる方法について以下に説明する。画像光路決定手段4の駆動制御は、発光手段11と受光手段12によって位置検出し、フィードバック制御を行う。図8は受光手段12が受光する光のレベルが、発光手段11との相対的位置によって変化する様子を示している。図8において、11は3つの異なる周波数で変調された信号を光に変換する発光手段であり、4は画像光路制御手段である。
【0026】
図8に示すように、発光手段の3つの光源は、受光した際に隣あう光源からの光のレベル差がなくなる点の間隔×表示する画像の視点数が、画像光路制御手段4のピッチの半分の長さと一致するように配置する。
【0027】
図9は駆動制御手段25の構成の1例を示すブロック図である。
図9において、31は受光手段12の出力を復調し発光手段11の3つの光源のレベルC1、C2、C3、C4、C5を出力する復調手段、32aおよび32bは隣あう光源の受光レベルを比較する減算器、34は観察者の位置での観察状態を最適なものにするための微調整手段、33は駆動信号発生手段である。復調手段31は受光手段12の出力を変調周波数ごとに復調し、異なる変調周波数に対応する光のレベルC1、C2、C3、C4、C5を出力する。尚、復調は図6、図7に示すように、駆動電流のレベルが変化する期間以外の期間に行う。
【0028】
減算器32a,32b、32c、32dはそれぞれ隣あう光源の受光レベルの差を出力する。また、微調整手段34は観察者の位置での観察状態を最適なものにするための微調整信号Δを出力する。駆動信号発生手段33は、駆動電流を図6、図7に示すように垂直同期に同期させて出力し、駆動コイル手段8を駆動する。駆動電流のレベルL1〜L4は(式1)に示すフィードバック制御により目標値に集束するように制御される。
【0029】
(式1)
L1 = L10 − k1(C2 − C1) + Δ
L2 = L20 − k2(C3 − C2) + Δ
L3 = L30 − k3(C4 − C3) + Δ
L4 = L40 − k4(C5 − C4) + Δ
ただし、k1〜K4 > 0
このように制御することにより、画像透過手段3と画像光路制御手段4の相対位置が安定に制御され、各画像は光路7a〜dを通過してそれぞれの空間位置A〜Dを通過し、それぞれの位置で各画像を観察可能になる。
【0030】
以上のように本実施の形態によれば、画像の表示位置が安定しないCRTを表示手段に用いても、光路制御手段10により、光の方向を定められた一定の方向に安定して制御でき、眼鏡なしで安定した立体画像を表示できる。
【0031】
(第2の実施の形態)
図10は、本発明の第2の実施の形態における立体表示装置の画像信号と、光路制御手段10の制御を説明するための構成図であり、1は画像を表示する表示手段、3は画像透過手段、4は画像光路決定手段、5a,bは駆動手段、11は発光手段、12は受光手段である。
【0032】
以上の構成は第1の実施の形態の構成と同じであり、第1の実施の形態の構成と異なる点は、受光手段12の位置を移動させるリニア移動手段40、画像光路決定手段4と画像透過手段3の距離を変化させる厚み制御手段41a,bが新たに付加され、駆動制御手段25が発光手段11と受光手段12以外にリニア移動手段40と厚み制御手段41a,bを制御している点、磁界発生手段43、磁界検出コイル42、3次元位置測定手段44により観察者の視点の3次元位置を検出している点である。
【0033】
以上の様に構成された第2の実施の形態について、以下説明する。立体画像を表示する基本原理は、第1の実施の形態と同じであり、光路制御手段10は画像透過手段3と画像光路決定手段4により複数の画像の光路を順次定める。
【0034】
第1の実施の形態では、観察者が左右に移動した時に、複数の視点の画像が順次観察できるが、図2〜図4の場合でメインローブで観察している光路7a〜7bまで移動したら、次は副ローブの画像を観察することになるため、また7aに画像が跳躍し、これの繰り返しとなる。
【0035】
また、観察者が前後方向に移動したら、光路と目がずれてしまい、立体画像を観察出来なくなってしまう。この点を解消するのが第2の実施の形態例である。
【0036】
まず、図11を用いて、観察者の視点移動に対して常に立体画像が観察できるようにする方法の原理について説明する。
【0037】
図11(a)は、観察者がCRTに平行に左右に移動する場合、(b)は観察者がCRTに垂直に前後に移動する場合である。図11(a)において、CRT表面の光は画像透過手段3の透過領域Cと画像光路決定手段4の透過領域Aを通って観察者の目Dに入射しているとする。
【0038】
ここで、観察者の目Dの位置がEまで変化した時、同じ画像による光を目Eに入射させるためには光は画像光路決定手段4の透過領域の中心をBになるように画像光路決定手段を左右に水平移動すればよい。この時、目の水平移動量をΔx、画像透過手段3と画像光路決定手段4の距離をd、視距離をLと置けば、画像透過手段の水平移動量Δwは、
(式2)
Δw=d/L×Δx
で表される。
【0039】
また、図11(b)に示すように、観察者の目が前後方向にGからHにΔDだけ移動した場合は、画像透過手段3と画像光路決定手段4の距離dをΔzだけ変化させたらよい。
【0040】
この時の変化量Δzは、
(式3)
Δz=d/L×ΔD
となる。
【0041】
この様に、観察者の目の移動を測定し、これを元に画像光路決定手段4の位置と画像透過手段3と画像光路決定手段4の距離を変化させることにより、常に観察者の目の位置に光路が来るようにすることが出来る。実際には、第1の実施の形態で述べた方法において、観察者の目の左右の動きに合わせて受光手段12の位置をリニア移動手段40により移動させる(図9)。
【0042】
また、観察者の目の前後の動きに合わせて厚み制御手段41a,bにより画像透過手段3と画像光路決定手段4の距離を変化させる。
【0043】
観察者の目が左右に移動した場合、まず、左右方向移動量を図10に示される磁界発生手段43と磁界検出コイル42と3次元位置測定手段44により測定する。このような磁界を用いた観察者の3次元位置の測定手段は、最近のバーチャルリアリティ技術でよく用いられるものと同じものである(参考文献:3次元映像の基礎 泉武博 監修、オーム社1995PP.210〜213)。これは、磁界発生手段43から互いに直交する3種類の磁界を発生し、これを互いに直交する方向に巻かれた3種類のコイルで検出し、これを3次元位置測定手段44で計算することにより、このコイルの3次元位置、回転角度(yaw,pitch,roll)を計測するものである。
【0044】
これにより得られた観察者の水平移動量Δxと観察者の視距離Lを用いて、駆動制御手段25は、式2から画像光路決定手段4の移動量Δwを求め、これから駆動電流L1〜L4(図6、図7参照)を(式1)により決定する。ここで微調整信号Δの大きさを、画像光路決定手段4の移動量Δwと受光手段12のリニア移動手段40による移動量が等しくなるように駆動制御手段25が決定する。
【0045】
このように制御することにより、観察者の目の位置が左右に動いても発光手段11と受光手段12の位置関係を一定に保つことが出来、画像透過手段3と画像光路制御手段4の相対位置が安定に制御され、右目用の画像は光路7bを通過して右目に、左目用の画像は光路7aを通過して左目に入射し、立体像として認識される。
【0046】
ただし、この場合には観察者が移動しても観察される画像は同じであるので、多眼立体画像表示のメリットのひとつである、運動視差(観察者が移動することにより被写体の異なった方向からの画像が観察され、それが立体感を生む効果)は観察できない。しかし、観察領域に適当に頭部を持ってくれば4つの画像のうち2つが目に入射するので最初に両眼視しやすく、その後左右に移動しても表示画像の不連続点はなくなる。
【0047】
また、前述の場合は、観察者が移動した場合、同じ画像が観察されるように制御したが、例えば、図2〜図4において観察者が7b、7cをそれぞれ左目、右目で観察していた場合、観察者が右に移動し7c、7dを観察するまでは画像光路決定手段4に制御をかけず、これを越えた場合のみに、越えた分のみについての画像光路決定手段4Δwを計算することも出来る。この場合、多眼立体画像観察領域中での観察者の移動については運動視差を表示でき、更に多眼立体画像観察領域外に観察者が移動したらその移動分のみ、観察範囲を画像光路決定手段4の左右方向の移動により表示画像の不連続点も除去することができる。
【0048】
観察者が多眼立体画像観察範囲を越えて左右に移動した場合、画像光路決定手段4を右方向に移動し、表示画像の不連続を除去するが、その後観察者が静止した場合、観察者は図2〜図4の7c、7dを観察していることになる。観察者が更に右に移動する場合を考慮して、観察者が静止したことを3次元位置測定手段44の出力より判断し、その場合は観察者が図2〜図4のメインローブの中心の画像、即ち、7b、7cを観察するように徐々に3次元位置測定手段44を移動すれば、常に観察者は運動視差による立体感を得ることができる。
【0049】
また、観察者の目が前後方向に移動した場合、駆動制御手段25は(式3)により、画像透過手段3と画像光路決定手段4の距離dをΔzだけ変化させる命令を厚み制御手段41a、bに伝える。厚み制御手段41a、bは駆動手段5a、bの位置を前後に移動させることにより画像透過手段3と画像光路決定手段4の距離dをΔzだけ変化させる。これにより、観察者の目の位置が前後に移動しても、常に所定の画像を左右の目それぞれに表示することができる。
【0050】
以上のように本実施の形態によれば、観察者の目の位置が移動しても、常に観察者の目に光の方向を制御することができ、画像観察範囲の広い眼鏡なし立体画像表示装置を実現することが出来る。
【0051】
また、第2の実施の形態において、観察者の目の移動は、頭部の前後左右の動きだけでなく、観察者の頭部の傾き具合によっても変化する。特に、頭部が左右方向に移動する場合において、頭部が左右に大きく傾くことが多い。これによる目の位置のずれを解決するために、観察者の頭部に装着した磁界検出コイル42の位置と左右の目のそれぞれの位置関係を予め測定しておき、これにより目の位置を正確に算出すれば、観察者の頭部が傾いても正確な画像を左右の目に見えるようにすることができる。
【0052】
尚、本実施の形態の立体画像表示装置の表示手段は、直視型のCRTを用いたが、直視型のCRTに限る必要はなくCRTを用いた投射型でもよいのは当然である。またCRTに限らず、プラズマディスプレイや液晶ディスプレイでも適応可能であり、本発明に含まれる。プラズマディスプレイや液晶ディスプレイの場合、画素が一定の位置に固定されているため、画像透過手段は画素の周期に対応させるのが良い。整数倍がモアレがなく適している。またディスプレイの発光部が非発光部と同程度か狭い場合、画像透過手段を用いなくともよい。
【0053】
また、以上の各実施の形態において、画像光路決定手段4、駆動手段5a、bの動作は縦ストライプの水平位置を高速に振動させ、光を透過させる部分と遮断する部分の位置関係を高速に移動させることであるが、この動作を透過型の液晶素子を用いて実現しても良い。
【0054】
図12は、画像光路決定手段4、駆動手段5a、bを液晶素子を用いて実現した例である。図12は、具体的な液晶の各画素の駆動回路については示していないが、これは通常用いられるSTN、TFT液晶表示パネル等の技術をそのまま用いて実現される。図12において、斜線部は光を遮断する領域、そのほかは光を透過する領域である。光の遮断・透過の動作を液晶を駆動する電圧を制御することにより実現する。
【0055】
図12(a)〜(d)を画像信号のフィールド周期に同期させて順次切替えることにより光路を図1の7a〜7dのように変化させることができる。同図の右側に、拡大図を示す。各々の光透過/遮断ストライプは複数の画素で構成されており、1画素づつストライプ領域をずらすことにより、微小なストライプ位置を変化する。
【0056】
また図12において、4は画像光路決定手段であり、これは51、52、53の3つの液晶素子によりCRT画面全体を覆うようにしてある。図5の駆動制御手段25からの信号により入力画像の垂直同期のタイミングで、液晶素子51、52、53の光遮断部分(斜線部)と光透過部分(斜線のない部分)を入れ換える動作を行なうが、この時液晶素子はその動作が時間的に遅いので、画面全体の縦ストライプの位置が反転するのに時間がかかり、左右画像のクロストークが生じる。そこで、CRTにおける画像走査のタイミングを利用し、液晶駆動手段54により、ある垂直同期時刻から次の垂直同期時刻までを3分割し、液晶素子51、52、53に順番に命令を送ることにより1垂直期間中で液晶素子51、52、53を順番に縦ストライプ位置を反転させ、動作の遅い液晶素子でも、左右画像のクロストークを防ぐ。
【0057】
以上のように画像光路決定手段4を液晶素子で実現することにより、機械的な振動を用いることなく、純電子的に動作させることが出来、装置の信頼性を高めることが出来る。またこの場合、液晶素子は空間的位置が狂うことがないため、発行手段11、受光手段12によるフィードバック制御は必要ない。
【0058】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、画像の表示位置が安定しないCRTを表示手段に用いても、光路制御手段により、光の方向を定められた方向に安定して制御でき、観察者が移動しても眼鏡なしで安定した多眼立体画像を表示できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の多眼立体画像表示装置の構成の概要を示す図
【図2】同多眼立体画像表示装置の光路制御手段の構成を示す図
【図3】同多眼立体画像表示装置の光路制御手段の一構成例を示す図
【図4】同多眼立体画像表示装置の光路制御手段の他の構成例を示す図
【図5】本発明の第1の実施例の多眼立体画像表示装置の信号処理を示すブロック図
【図6】本発明の画像光路決定手段の時間的制御の一例を示す図
【図7】本発明の画像光路決定手段の時間的制御の他の例を示す図
【図8】本発明に用いる受光手段の特性を示す図
【図9】本発明に用いる駆動制御手段の構成を示す図
【図10】本発明の第2の実施の形態の多眼立体画像表示装置の構成を示す図
【図11】(a),(b)本発明の第2の実施例の多眼立体画像表示装置の観察者の移動に対する画像光路変更動作を示す図
【図12】(a)〜(d)本発明の第2の実施例の多眼立体画像表示装置の画像光路決定手段を液晶素子で構成した場合の構成図
【図13】従来の多眼立体画像表示装置を示す構成図
【符号の説明】
1 表示手段
2 匡体
3 画像透過手段
4 画像光路決定手段
5 駆動手段
6 目の位置
7 光路
8 駆動コイル
9 磁石
10 光路制御手段
11 発光手段
12 受光手段
21,22,21a,22a メモリ手段
23 バッファー手段
24 制御手段
25 駆動制御手段
26 画像表示手段
31 復調手段
32 減算器
33 駆動信号発生手段
34 微調整手段
40 リニア移動手段
41 厚み制御手段
42 磁界検出コイル
43 磁界発生手段
44 3次元位置測定手段
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a multi-view stereoscopic image display device that can be used effectively in the field of viewing and observing stereoscopic images, and can be used in many fields such as TV games, 3D televisions, CAD, and art appreciation.
[0002]
[Prior art]
Examples of conventional techniques include the following which are introduced in a three-dimensional display (written by Chihiro Masuda, Sangyo Tosho). For example, a configuration for displaying a multi-view stereoscopic image using a lenticular lens is introduced in FIGS. 8 and 31 on page 132 of the same document (FIG. 13). In this method, a large number of image projection units are arranged at different positions, and each image is projected onto a lenticular screen, and an observer observes it without glasses.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a large number of image projectors are used, the apparatus becomes large, and the lenticular lens sheet is also expensive, which has been a hindrance for putting multi-view stereoscopic images into practical use.
[0004]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems, and constitutes a multi-view stereoscopic display device without glasses with a CRT having a size of about 10 to 30 inches that is currently mass-produced as a display, stably and easily, and at a low cost. The purpose is to do.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes an image display means including a CRT, the image display means separately, an array of light transmitting portions and light shielding portion so that by transmitting a part of the image displayed on the image display unit An image transmission means; and an image optical path determination means for determining an optical path of an image transmitted through the image transmission means by moving a member in which the light transmission part and the light shielding part are arranged, and the image display means, the image transmission means The image display means repeatedly displays a plurality of images of three or more types, and the image light path determination means corresponds to a switching period of images displayed on the image display means. Then, the optical path of the image is sequentially switched by switching the spatial position of the light transmission part, and the observable positions of the plurality of images are stabilized even if the image display position in the image display means varies. And it is the structure which arranges sequentially in space.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0007]
(First embodiment)
FIG. 1 shows an outline and an optical path of the multi-view stereoscopic image display apparatus according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a display means for displaying an image, 2 is a housing, 3 is an image transmission means, 4 is an image optical path determination means, 5 is a drive means, 6a and b show the positions of the eyes of the observer, 7a , b, c, d indicate optical paths, and 10 indicates optical path control means.
[0008]
2 to 4 show details of the optical path control means of the multi-view three-dimensional image display apparatus according to the present embodiment. In the figure, 8 is a drive coil, 9 is a magnet, 11 is a light emitting means, and 12 is a light receiving means.
[0009]
FIG. 5 is a block diagram showing the image signal of the multi-view stereoscopic image display apparatus of this embodiment and the control of the optical path control means 10. In the figure, numerals 21, 22, 21a and 22a are memories for temporarily storing images, 23 is a buffer for outputting image signals to the monitor 26, 24 is a control means for controlling the memories 21, 22, 21a and 22a, and 25 is an optical path control. A drive control means 26 for controlling the means 10 is a monitor for displaying an image.
[0010]
The operation of the present embodiment configured as described above will be described. The basic principle of displaying a multi-view stereoscopic image is that areas that can be viewed from multiple viewpoints, which have been known for a long time, are sequentially arranged in the space so that images of different viewpoints can be observed depending on the position of the eyes. Is.
[0011]
This embodiment also follows this principle. In order to enable images of different viewpoints to be sequentially arranged and observed in the space, an optical path control means 10 is provided in front of the image display means (CRT) 1 in FIG. The optical path control means 10 determines the optical path by the image transmission means 3 and the image optical path determination means 4.
[0012]
In the figure, the optical paths are sequentially switched as 7a, 7b, 7c, 7d, a7, 7b, 7c, 7d,. In synchronization with this, the display image of the display means 1 is switched to images corresponding to the image observation points A, B, C, and D of the respective optical paths.
[0013]
In FIG. 2, the black portions of the image transmitting means 3 and the image light path determining means 4 absorb light, and the white portions transmit light. The direction in which the light of the image displayed on the CRT 1 travels is determined by the positional relationship of the light transmission / absorption means. In the state shown in the figure, the light travels in the direction indicated by 7d, the image light path determining means is sequentially shifted by the driving means 5a, b, and the light transmitting portion is moved little by little, and the light 7a, 7b, 7c, It is controlled so as to proceed sequentially in the direction of 7d.
[0014]
The direction of the light is determined only by the relative positional relationship between the image transmission means 3 and the image optical path determination means 4, and the direction in which the image travels as light does not change even if the display position of the image on the CRT 1 changes somewhat.
[0015]
FIG. 5 shows a configuration for performing the above operation. Images from different viewpoints are input signals 1, 2, 3, and 4, which are written in temporary memories 21, 22, 21a, and 22a, sequentially transferred to a buffer, and displayed on a monitor. The control unit 24 controls the input signals 1, 2, 3, and 4 to be switched sequentially, and the drive control unit 25 is switched so that the optical path control unit 10 sequentially switches to the optical paths shown in FIGS. Make it work. FIGS. 6 and 7 show the timing of switching the image signal described above. In FIG. 6, the image is switched to 1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4,... According to the vertical synchronization signal. Thus, the optical path is sequentially switched by the operation of the optical path control means 10. The image switching may not be the same as in FIG. 6, for example, as shown in FIG. 7, 1, 2, 3, 4, 3, 2, 1, 2, 3, 4,. You may switch to a wave form.
[0016]
This is because in the method of the present invention, the change in the position of the image does not cause crosstalk between the left and right images, but merely increases or decreases the parallax.
[0017]
In addition, absolute positional accuracy is not required, and only a relative position difference becomes an error with respect to parallax. Therefore, a slow change in absolute position does not cause any problem as a stereoscopic image. Therefore, the image display means 1 can also be applied to a CRT system in which the display position changes somewhat depending on the brightness of the image. This is an advantage that accurate alignment of each image is not required, unlike the conventional technique combining a lenticular screen and an image projection apparatus. 3 and 4 show the light traveling direction of the display image determined by the image transmission means 3 and the image light path determination means 4 in more detail.
[0018]
If the light transmission part of the image light path determining means 4 is arranged without interruption as shown in FIG. 3, the main lobe and the sublobe are connected, and the observer moves the head from the left to the right, 7a, 7b, 7c, 7d, 7a. , 7b, 7c, 7d... Are sequentially displayed in a cyclic manner. At this time, the viewpoint position of the display image becomes discontinuous at the moment of shifting from the main lobe observation to the sublobe observation.
[0019]
As shown in FIG. 4, in the light transmission part of the image light path determination means 4, when the light blocking part α is provided between the main lobe and the sublobe, the observer can see 7a, 7b, 7c, 7d, forbidden band, 7a, 7b, 7c, 7d, forbidden band, and so on.
[0020]
That is, there is a forbidden band where nothing is displayed in the discontinuous part of the displayed multi-view stereoscopic image, and the observer can easily recognize the position where the viewpoint is discontinuous.
[0021]
Next, control of the optical path control means will be described.
The image transmitting means 3 is arranged in front of the CRT, and when an image is observed through the image optical path control means 4 arranged further in front of this, for example, in the state of FIGS. 2 to 4, the image is observed through the optical path 7d. The
[0022]
At this time, no image is observed through the other optical paths 7a to 7c. At this time, crosstalk between different images can be reduced by setting the light transmitting portion of the image light path determining means 4 to be narrower than the light blocking portion so that the optical paths 7a to 7c do not overlap in space. However, since the brightness of the screen decreases if the width is narrow, care must be taken when setting the width of the light transmitting portion.
[0023]
Next, in a state in which the image optical path control means 4 has moved a little, an image is observed through the optical path 7c, and the position of the image optical path control means 4 changes sequentially to change to the optical paths 7b and 7a.
[0024]
The image optical path control means 4 is held by the drive means 5a and 5b, and by passing a drive current through the drive coil 8, it receives a drive force from the magnetic field by the magnet 9 and moves a minute amount in the direction indicated by the arrow. As shown in FIGS. 6 and 7, the drive current is changed in synchronization with the vertical synchronization signal, and images are presented for each field at positions A to D in FIG. When the field frequency is 120 Hz, the field frequency for one eye is 30 Hz. In order to eliminate the influence of image flicker, the field frequency needs to be 240 Hz. In the present embodiment, a four-eye stereoscopic image is used. However, the required field frequency increases as the number of eyes increases.
[0025]
Next, a method for accurately moving the image optical path determination means 4 by a certain amount will be described below. The drive control of the image optical path determination unit 4 is performed by detecting the position by the light emitting unit 11 and the light receiving unit 12 and performing feedback control. FIG. 8 shows how the level of light received by the light receiving means 12 changes depending on the relative position with respect to the light emitting means 11. In FIG. 8, 11 is a light emitting means for converting signals modulated at three different frequencies into light, and 4 is an image optical path control means.
[0026]
As shown in FIG. 8, the three light sources of the light emitting means have an interval of points at which there is no difference in the level of light from adjacent light sources when the light is received × the number of viewpoints of the displayed image is equal to the pitch of the image light path control means 4. Arrange to match half length.
[0027]
FIG. 9 is a block diagram showing an example of the configuration of the drive control means 25.
In FIG. 9, 31 is a demodulator that demodulates the output of the light receiving means 12 and outputs the levels C1, C2, C3, C4, and C5 of the three light sources of the light emitting means 11, and 32a and 32b compare the light receiving levels of adjacent light sources. The subtractor 34 is a fine adjustment means for optimizing the observation state at the observer's position, and 33 is a drive signal generating means. The demodulating unit 31 demodulates the output of the light receiving unit 12 for each modulation frequency, and outputs light levels C1, C2, C3, C4, and C5 corresponding to different modulation frequencies. Demodulation is performed in a period other than the period in which the level of the drive current changes, as shown in FIGS.
[0028]
The subtractors 32a, 32b, 32c, and 32d each output a difference in light reception level between adjacent light sources. Further, the fine adjustment means 34 outputs a fine adjustment signal Δ for optimizing the observation state at the observer's position. The drive signal generating means 33 outputs the drive current in synchronization with the vertical synchronization as shown in FIGS. 6 and 7, and drives the drive coil means 8. The levels L1 to L4 of the drive current are controlled so as to converge to the target value by feedback control shown in (Equation 1).
[0029]
(Formula 1)
L1 = L10−k1 (C2−C1) + Δ
L2 = L20−k2 (C3−C2) + Δ
L3 = L30−k3 (C4−C3) + Δ
L4 = L40−k4 (C5−C4) + Δ
However, k1 to K4> 0
By controlling in this way, the relative positions of the image transmission means 3 and the image optical path control means 4 are stably controlled, and each image passes through the optical paths 7a to 7d and passes through the spatial positions A to D, respectively. Each image can be observed at the position.
[0030]
As described above, according to the present embodiment, even when a CRT whose image display position is not stable is used as the display means, the light path control means 10 can stably control the direction of light in a predetermined direction. A stable stereoscopic image can be displayed without glasses.
[0031]
(Second Embodiment)
FIG. 10 is a block diagram for explaining the image signal of the stereoscopic display device and the control of the optical path control means 10 in the second embodiment of the present invention, wherein 1 is a display means for displaying an image, and 3 is an image. Transmitting means, 4 is an image optical path determining means, 5a and b are driving means, 11 is a light emitting means, and 12 is a light receiving means.
[0032]
The above configuration is the same as the configuration of the first embodiment, and is different from the configuration of the first embodiment in that the linear moving unit 40 that moves the position of the light receiving unit 12, the image optical path determination unit 4, and the image Thickness control means 41a, b for changing the distance of the transmission means 3 are newly added, and the drive control means 25 controls the linear moving means 40 and the thickness control means 41a, b in addition to the light emitting means 11 and the light receiving means 12. The point is that the three-dimensional position of the observer's viewpoint is detected by the magnetic field generation means 43, the magnetic field detection coil 42, and the three-dimensional position measurement means 44.
[0033]
The second embodiment configured as described above will be described below. The basic principle of displaying a stereoscopic image is the same as in the first embodiment, and the optical path control means 10 sequentially determines the optical paths of a plurality of images by the image transmission means 3 and the image optical path determination means 4.
[0034]
In the first embodiment, when the observer moves to the left and right, images of a plurality of viewpoints can be observed sequentially. However, if the observer moves to the optical paths 7a to 7b observed with the main lobe in the case of FIGS. Next, since the image of the side lobe is observed, the image jumps to 7a, and this is repeated.
[0035]
Also, if the observer moves in the front-rear direction, the eyes will be misaligned with the optical path, making it impossible to observe the stereoscopic image. The second embodiment eliminates this point.
[0036]
First, the principle of a method for allowing a stereoscopic image to be always observed with respect to the observer's viewpoint movement will be described with reference to FIG.
[0037]
FIG. 11A shows a case where the observer moves left and right parallel to the CRT, and FIG. 11B shows a case where the observer moves back and forth perpendicularly to the CRT. In FIG. 11A, it is assumed that the light on the surface of the CRT is incident on the observer's eyes D through the transmission region C of the image transmission unit 3 and the transmission region A of the image optical path determination unit 4.
[0038]
Here, when the position of the observer's eye D changes to E, in order to make the light from the same image incident on the eye E, the light is image light path so that the center of the transmission region of the image light path determining means 4 is B. What is necessary is just to move a determination means horizontally to right and left. At this time, if the horizontal movement amount of the eye is Δx, the distance between the image transmission means 3 and the image optical path determination means 4 is d, and the viewing distance is L, the horizontal movement amount Δw of the image transmission means is
(Formula 2)
Δw = d / L × Δx
It is represented by
[0039]
Further, as shown in FIG. 11B, when the observer's eyes have moved by ΔD from G to H in the front-rear direction, the distance d between the image transmission means 3 and the image optical path determination means 4 is changed by Δz. Good.
[0040]
The amount of change Δz at this time is
(Formula 3)
Δz = d / L × ΔD
It becomes.
[0041]
In this way, the movement of the observer's eyes is measured, and by changing the position of the image optical path determining means 4 and the distance between the image transmitting means 3 and the image optical path determining means 4 based on this, it is always possible to observe the eyes of the observer. The light path can come to the position. Actually, in the method described in the first embodiment, the position of the light receiving means 12 is moved by the linear moving means 40 in accordance with the left / right movement of the observer's eyes (FIG. 9).
[0042]
Further, the distance between the image transmitting means 3 and the image optical path determining means 4 is changed by the thickness control means 41a, b in accordance with the movement of the observer's eyes in the front-rear direction.
[0043]
When the observer's eyes move left and right, first, the amount of movement in the left-right direction is measured by the magnetic field generation means 43, the magnetic field detection coil 42, and the three-dimensional position measurement means 44 shown in FIG. The means for measuring the three-dimensional position of an observer using such a magnetic field is the same as that often used in recent virtual reality technology (Reference: Supervision of Fundamentals of Three-Dimensional Video, Izumi Takehiro, Ohm Corporation 1995PP. 210-213). This is because three types of magnetic fields orthogonal to each other are generated from the magnetic field generating means 43, detected by three types of coils wound in directions orthogonal to each other, and calculated by the three-dimensional position measuring means 44. The three-dimensional position and rotation angle (yaw, pitch, roll) of this coil are measured.
[0044]
Using the observer's horizontal movement amount Δx and the observer's viewing distance L thus obtained, the drive control means 25 obtains the movement amount Δw of the image optical path determination means 4 from Equation 2, and from this, the drive currents L1 to L4. (See FIGS. 6 and 7) is determined by (Equation 1). Here, the drive control means 25 determines the magnitude of the fine adjustment signal Δ so that the movement amount Δw of the image optical path determination means 4 and the movement amount of the light receiving means 12 by the linear movement means 40 are equal.
[0045]
By controlling in this way, the positional relationship between the light emitting means 11 and the light receiving means 12 can be kept constant even if the position of the observer's eyes moves left and right, and the relative relationship between the image transmitting means 3 and the image optical path control means 4 can be maintained. The position is stably controlled, and the image for the right eye passes through the optical path 7b and enters the right eye, and the image for the left eye passes through the optical path 7a and enters the left eye, and is recognized as a stereoscopic image.
[0046]
However, in this case, since the observed image is the same even if the observer moves, one of the advantages of multi-view stereoscopic image display is motion parallax (the different directions of the subject as the observer moves). The effect of producing a three-dimensional effect) cannot be observed. However, if the head is appropriately placed in the observation area, two of the four images are incident on the eyes, so that it is easy to see with both eyes first, and there are no discontinuities in the displayed image even if the image is moved to the left or right.
[0047]
In the above case, control is performed so that the same image is observed when the observer moves. For example, in FIGS. 2 to 4, the observer observes 7b and 7c with the left eye and the right eye, respectively. In this case, until the observer moves to the right and observes 7c and 7d, the image optical path determination means 4 is not controlled, and only when it exceeds this, the image optical path determination means 4Δw is calculated only for the excess. You can also In this case, the movement parallax can be displayed for the movement of the observer in the multi-view stereoscopic image observation area, and if the observer moves outside the multi-view stereoscopic image observation area, the observation range is set as the image optical path determining means only for the movement. The discontinuous point of the display image can also be removed by the movement of 4 in the left-right direction.
[0048]
When the observer moves left and right beyond the multi-view stereoscopic image observation range, the image optical path determination means 4 is moved rightward to remove discontinuities in the display image. 7c and 7d in FIGS. 2 to 4 are observed. Considering the case where the observer moves further to the right, it is determined from the output of the three-dimensional position measuring means 44 that the observer is stationary. In this case, the observer is at the center of the main lobe in FIGS. If the three-dimensional position measuring means 44 is gradually moved so as to observe the images, that is, 7b and 7c, the observer can always obtain a stereoscopic effect due to motion parallax.
[0049]
When the observer's eyes move in the front-rear direction, the drive control means 25 gives a command to change the distance d between the image transmission means 3 and the image optical path determination means 4 by Δz according to (Equation 3), the thickness control means 41a, Tell b. The thickness control means 41a, b changes the distance d between the image transmission means 3 and the image optical path determination means 4 by Δz by moving the positions of the driving means 5a, b back and forth. Thereby, even if the position of the observer's eyes moves back and forth, a predetermined image can always be displayed on each of the left and right eyes.
[0050]
As described above, according to the present embodiment, even if the position of the observer's eyes moves, the direction of light can always be controlled by the eyes of the observer, and the stereoscopic image display without glasses having a wide image observation range. A device can be realized.
[0051]
In the second embodiment, the movement of the observer's eyes changes not only in the front / rear / left / right movement of the head but also in accordance with the inclination of the observer's head. In particular, when the head moves in the left-right direction, the head often tilts greatly to the left and right. In order to solve the shift of the eye position due to this, the position of the magnetic field detection coil 42 mounted on the observer's head and the positional relationship between the left and right eyes are measured in advance, so that the eye position can be accurately determined. Thus, an accurate image can be made visible to the left and right eyes even when the observer's head is tilted.
[0052]
Although the direct-view type CRT is used as the display means of the stereoscopic image display apparatus according to the present embodiment, it is not necessarily limited to the direct-view type CRT, and may be a projection type using the CRT. Further, the present invention can be applied not only to a CRT but also to a plasma display or a liquid crystal display, and is included in the present invention. In the case of a plasma display or a liquid crystal display, since the pixels are fixed at a fixed position, it is preferable that the image transmission means correspond to the cycle of the pixels. An integer multiple is suitable without moire. Further, when the light emitting portion of the display is the same or narrower than the non-light emitting portion, the image transmission means may not be used.
[0053]
Further, in each of the above embodiments, the operations of the image optical path determination means 4 and the drive means 5a and b vibrate the horizontal position of the vertical stripe at high speed, and the positional relationship between the light transmitting part and the light blocking part is high speed. This movement may be realized by using a transmissive liquid crystal element.
[0054]
FIG. 12 shows an example in which the image optical path determination unit 4 and the driving units 5a and 5b are realized using liquid crystal elements. FIG. 12 does not show a specific driving circuit for each pixel of the liquid crystal, but this is realized by using a commonly used technology such as STN, TFT liquid crystal display panel, or the like. In FIG. 12, the shaded area is an area that blocks light, and the other area is an area that transmits light. The light blocking / transmitting operation is realized by controlling the voltage for driving the liquid crystal.
[0055]
By sequentially switching FIGS. 12A to 12D in synchronization with the field period of the image signal, the optical path can be changed as shown in FIGS. 7A to 7D. An enlarged view is shown on the right side of the figure. Each light transmitting / blocking stripe is composed of a plurality of pixels, and a minute stripe position is changed by shifting the stripe region by one pixel.
[0056]
In FIG. 12, reference numeral 4 denotes an image optical path determination means, which covers the entire CRT screen with three liquid crystal elements 51, 52, and 53. An operation of exchanging the light blocking portion (shaded portion) and the light transmitting portion (not shaded portion) of the liquid crystal elements 51, 52, 53 is performed at the timing of vertical synchronization of the input image by a signal from the drive control means 25 in FIG. However, since the operation of the liquid crystal element is slow in time at this time, it takes time to invert the position of the vertical stripe on the entire screen, and crosstalk occurs between the left and right images. Therefore, by using the timing of image scanning in the CRT, the liquid crystal driving means 54 divides the period from one vertical synchronization time to the next vertical synchronization time into three, and sends commands to the liquid crystal elements 51, 52, 53 in order. In the vertical period, the vertical stripe positions of the liquid crystal elements 51, 52, and 53 are reversed in order, so that crosstalk between the left and right images is prevented even with a liquid crystal element that operates slowly.
[0057]
As described above, by realizing the image optical path determination means 4 with a liquid crystal element, it can be operated in a purely electronic manner without using mechanical vibration, and the reliability of the apparatus can be improved. Further, in this case, since the liquid crystal element is not spatially shifted, feedback control by the issuing means 11 and the light receiving means 12 is not necessary.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even when a CRT whose image display position is unstable is used as the display means, the light path control means can stably control the direction of the light in a predetermined direction, and the observer can move. Even so, a stable multi-view stereoscopic image can be displayed without glasses.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a configuration of a multi-view stereoscopic image display device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an optical path control means of the multi-view stereoscopic image display device. FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the optical path control means of the multi-view stereoscopic image display device. FIG. 4 is a diagram showing another configuration example of the optical path control means of the multi-view stereoscopic image display device. FIG. 6 is a block diagram showing signal processing of the multi-view stereoscopic image display apparatus according to the first embodiment. FIG. 6 is a diagram showing an example of temporal control of the image optical path determining means of the present invention. FIG. 8 is a diagram illustrating another example of temporal control. FIG. 8 is a diagram illustrating characteristics of a light receiving unit used in the present invention. FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a drive control unit used in the present invention. FIGS. 11A and 11B are diagrams showing a configuration of a multi-view stereoscopic image display apparatus according to an embodiment of the present invention. FIGS. FIGS. 12A to 12D are diagrams showing an image optical path changing operation with respect to an observer's movement of the image display device. FIGS. 12A to 12D are liquid crystal elements. Fig. 13 is a block diagram showing a conventional multi-view stereoscopic image display device.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Display means 2 Housing 3 Image transmission means 4 Image optical path determination means 5 Driving means 6 Eye position 7 Optical path 8 Driving coil 9 Magnet 10 Optical path control means 11 Light emitting means 12 Light receiving means 21, 22, 21a, 22a Memory means 23 Buffer Means 24 Control means 25 Drive control means 26 Image display means 31 Demodulation means 32 Subtractor 33 Drive signal generation means 34 Fine adjustment means 40 Linear movement means 41 Thickness control means 42 Magnetic field detection coil 43 Magnetic field generation means 44 Three-dimensional position measurement means

Claims (2)

CRTからなる画像表示手段と、
画像表示手段とは別体に、前記画像表示手段に表示された画像の一部を透過させるように光透過部分と光遮蔽部分とを配列した画像透過手段と、
光透過部分と光遮蔽部分とが配列された部材を移動させ、前記画像透過手段を透過した画像の光路を決定する画像光路決定手段を備え、
前記画像表示手段、前記画像透過手段、前記画像光路決定手段の順に配置され、
前記画像表示手段は3種類以上の複数の画像を順次繰り返し表示し、前記画像光路決定手段は前記画像表示手段に表示される画像の切り替え周期に対応して、その光の透過部分の空間位置を切り換えることにより前記画像の光路を順次切り替え、
画像表示手段における画像表示位置に変動があっても前記複数の画像の観察可能位置を安定して空間上に順次並べるような構成であることを特徴とした多眼立体画像表示装置。
Image display means comprising a CRT ;
Separately from the image display means, an image transmission means having an array of light transmitting portions and light shielding portion so that by transmitting a portion of an image displayed on the image display means,
An image light path determining unit that moves a member in which a light transmitting part and a light shielding part are arranged and determines an optical path of an image transmitted through the image transmitting unit ;
Arranged in the order of the image display means, the image transmission means, the image optical path determination means,
The image display means sequentially displays a plurality of images of three or more types, and the image light path determination means determines the spatial position of the light transmission portion corresponding to the switching period of the image displayed on the image display means. By sequentially switching the optical path of the image,
A multi-view three-dimensional image display device characterized by having a configuration in which the observable positions of the plurality of images are stably and sequentially arranged in a space even when the image display position in the image display means varies.
前記画像光路決定手段は、画像の光路を決定する光透過部分の間に遮光領域を設け、主ローブと副ローブの間、もしくは副ローブ同士の間に多眼立体画像観察ができない領域を設け、多眼画像の不連続点が容易に観察者に認識出来るようにしたことを特徴とする請求項1記載の多眼立体画像表示装置。The image optical path determination means provides a light-shielding region between light transmitting portions that determine the optical path of an image, and provides a region where multi-view stereoscopic image observation is not possible between a main lobe and a side lobe, or between side lobes, The multi-view stereoscopic image display apparatus according to claim 1, wherein a discontinuous point of the multi-view image can be easily recognized by an observer.
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