JP2002303821A - 立体ディスプレイ装置及び立体ディスプレイ装置における画面制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の立体画像表示方式では、対象の像の視
差量が観察者が一つの像として認識できる程度の距離以
上離れてしまうと対象の像が二重になり見えにくくな
る。 【解決手段】 レンチキュラーレンズ５を画像表示部３
の前面に用いた立体ディスプレイにおいて、立体ディス
プレイ上の観察者の視線位置を検出する手段と、その視
線検出位置において右眼用画像と左眼用画像の観察対象
の像がディスプレイ上で一致するように制御する手段と
から立体ディスプレイ装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はテレビ、ビデオ、コ
ンピュータモニタ、ゲームマシンなどにおいて立体表示
を行う立体ディスプレイ装置及び該装置における画面制
御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、立体ディスプレイの方式として、
右眼用と左眼用画像に対して偏光状態を異ならせ、偏光
めがねを用いて左右の画像を分離するものがある。その
偏光状態を異ならせるためにディスプレイ側に液晶シャ
ッターを設け、ディスプレイの表示画像のフィールド信
号に同期させて、偏光状態を切り替え、偏光めがねをか
けた観察者は時分割で片目づつ左右画像を分離して立体
視を可能にする方式が実用化されている。しかし、この
方式では観察者は常に偏光めがねをかけねばならないと
いう欠点があった。

【０００３】それに対して、偏光めがねを用いない立体
ディスプレイとして、ディスプレイの前面にレンチキュ
ラーレンズを設け、空間的に左右の眼に入る画像を分離
する方式がある。図１１はレンチキュラーレンズを用い
た方式の従来例の説明図である。１は液晶ディスプレイ
で、液晶の表示画素部３はガラス基板２，４の間に形成
されている。液晶ディスプレイ１の表面には、断面が図
示のように半円状で各々紙面に直角方向に延びるシリン
ドリカルレンズからなるレンチキュラーレンズ５が設け
られており、その焦点面に液晶の表示画素部３が位置す
るようになっている。

【０００４】表示画素部３には図示のようにレンチキュ
ラーレンズの一つのピッチに対応して右眼用画像（黒塗
りの部分）、左眼用画像（白抜きの部分）がストライプ
状に対となるよう交互に配置されており、レンチキュラ
ーレンズ５により観察者の右眼Ｅ_R 、左眼Ｅ_L に光学的
に分離して結像され立体視が可能となる。図中にはディ
スプレイの両端と中央部分の右眼用、左眼用画像の各々
を観察できる空間的領域を示してあり、画面全面にわた
って観察者の目（両眼中心距離はｅ）に左右分離して見
える共通領域が図中の太線部分の立体視領域６である。
さらに、この立体視領域６に隣接した領域（不図示）に
おいても左右分離して立体視できる領域が存在する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな立体画像表示方式では、表示される右眼用画像と左
眼用画像はステレオのカメラ、ＶＴＲなどで撮影した画
像をそのまま表示しており、両画像中の対象の像はカメ
ラからの距離により画面上での視差量が決まってくる。
観察者が観察するときには、右眼用と左眼用画像の対象
の像の視差量により奥行き感を認識しており、対象の像
の視差量が観察者が一つの像として認識できる程度の距
離以上離れてしまうと対象の像が二重になり見えにくく
なるという欠点があった。

【０００６】そこで本発明の目的は、画面内において、
観察者の視ている位置における像が常に鮮明に違和感な
く観察できるようにした立体ディスプレイ装置およびそ
の画面制御方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために、本願における請求項１に記載の発明は、レン
チキュラーレンズを画像表示部の前面に用いた立体ディ
スプレイにおいて、立体ディスプレイ上の観察者の視線
位置を検出する手段と、その視線検出位置において右眼
用画像と左眼用画像の観察対象の像がディスプレイ上で
一致するように制御する手段とを備えた立体ディスプレ
イ装置を特徴とする。

【０００８】また本願の請求項２に記載の発明は、レン
チキュラーレンズを画像表示部の前面に用いた立体ディ
スプレイにおいて、立体ディスプレイ上の観察者の視線
位置を検出し、その視線検出位置において右眼用画像と
左眼用画像の観察対象の像がディスプレイ上で一致する
ように制御する立体ディスプレイ装置における画面制御
方法を特徴とする。

【０００９】

【作用】これによって、観察者の視線位置を検出し、そ
の位置で左右画像の視線位置の対象の像を一致させるこ
とにより、視線位置の対象の像を鮮明に観察することが
できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】〈参考技術例１〉図１，図２，図
３は本発明の参考技術例１の説明図であり、以下図面を
用いて説明する。図３は参考技術例１の原理の説明図で
ある。３は液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、
蛍光表示管またはＣＲＴなどの表示素子の表示画素部を
模式的に示しており、フェースプレートなどのガラス基
板は省略して表示している。表示画素部３の前面にはア
クリル樹脂などの透明な樹脂またはガラスからなるレン
チキュラーレンズ５が配設されており、紙面に垂直方向
にシリンドリカルな面が延びている。従来例で説明した
ように、レンチキュラーレンズ５により表示画素部３の
画像は光学的に分解され、観察者の右眼には右眼用画像
（表示画素の黒塗り部分）、左眼には左眼用画像（表示
画素の白抜き部分）が入るようになっている。このレン
チキュラーレンズ５と表示画素部３から構成される立体
ディスプレイはその中央部分で、レンチキュラーレンズ
のシリンドリカルレンズの長手方向の回転軸１００で回
転支持されて図のように角度を変えることができる。

【００１１】図中には観察者が立体ディスプレイの中央
線上の基準位置にいるときの右眼Ｅ _R 、左眼Ｅ_L の位置
と立体視できる領域６ａを示しており、観察者が図のよ
うに基準位置からずれて右眼がＥ_R ’、左眼がＥ_L ’の
位置にきたときには、それに応じて立体ディスプレイを
角度θだけ回転させて立体視できる領域を６ｂのように
なるように追従させる。たとえば、観察者の基準位置を
ディスプレイから約５０ｃｍとした時、回転角θが±５
度の範囲で観察者に追従できるとすると立体視領域６ａ
は左右に±約４４ｍｍ移動する。これにより観察者の立
体視領域は、立体ディスプレイが固定の状態で観察者に
追従しないときは中央の基準位置を中心として左右に±
３２．５ｍｍ（両眼距離の標準を６５ｍｍとする）の範
囲であったものが、観察者に追従させて角度を変化させ
ることにより±７６．５ｍｍと倍以上にすることができ
る。

【００１２】図１は本参考技術例の装置の具体的な構成
の説明図である。レンチキュラーレンズ５を設けた液晶
ディスプレイ１は図示せぬ軸受けに支持された回転軸１
５を中心に回動するようになっており、液晶ディスプレ
イ１の端部部材１６には回転駆動機構２１が設けられて
いる。回転駆動機構２１は電磁コイルを利用したリニア
アクチュエータ１７と部材１６をリニアアクチュエータ
に押しつけるための復元用ばね１８からなる。また、角
度検出センサ２３は部材１６の一部に設けられたエンコ
ーダー目盛り１９とフォトセンサ２０から構成されてい
る。２２は超音波センサからなる頭部位置検出センサ
で、ディスプレイの左右に配置されて超音波の反射時間
により各々観察者の頭部までの距離を検出し、図示せぬ
検出回路で演算して観察者の頭部のディスプレイに平行
な水平方向の位置を求めるものである。

【００１３】図２は本参考技術例の装置の制御系の構成
を示したブロック図である。ＣＰＵ３４は頭部位置検出
センサ２２及び検出回路３２で検出した観察者の頭部位
置を読み込み、その信号に基づいて液晶ディスプレイが
観察者の方向を向くような目標の角度を演算する。同時
に液晶ディスプレイの現在の角度を角度検出センサ２３
及び検出回路３３を通して読み込み、目標の角度と比較
して、その差が０となるように駆動回路３１が角度可変
アクチュエータ１７により液晶ディスプレイの角度を制
御している。これにより、液晶ディスプレイが動く範囲
内で観察者は常に立体視領域のほぼ中央にいるように制
御され、立体視領域を実質的に広くすることができる。
本参考技術例は、超音波センサを用いたが、赤外線を用
いた距離センサによる頭部位置検出センサで構成しても
よいし、またビデオカメラにより観察者の頭部を撮影
し、画像処理して頭部または両眼の位置を求める方式で
もよい。

【００１４】また、本参考技術例では液晶ディスプレイ
を直接回転制御していたが、モニターとして組み立てら
れたユニット全体を回転制御しても同様な効果が得られ
る。 〈参考技術例２〉図４，図５，図６は本発明の参考技術
例２の説明図であり、以下図面を用いて説明する。図６
は上記参考技術例２の原理の説明図である。３は液晶デ
ィスプレイ、プラズマディスプレイ、蛍光表示管または
ＣＲＴなどの表示素子の表示画素部を模式的に示してお
り、フェースプレートなどのガラス基板は省略してい
る。表示画素部３の前面にはアクリル樹脂などの透明な
樹脂またはガラスからなるレンチキュラーレンズ５が配
設されており、紙面に垂直方向にシリンドリカルな面が
延びている。従来例で説明したように、レンチキュラー
レンズ５により光学的に分離されて、観察者の右眼には
右眼用画像（表示画素の黒塗り部分）、左眼には左眼用
画像（表示画素の白抜き部分）が入るようになってい
る。このレンチキュラーレンズの前面には、特開平５−
１４２５００に開示された公知の可変頂角プリズム９が
配設されている。この可変頂角プリズムは透明ガラス板
１０，１１とその間に充填したシリコンオイルなどの透
明液体またはシリコンゴムなどの柔らかい弾性体からな
る透明部材１２と透明部材１２を封入するポリエチレン
などからなる蛇腹１３から構成されている。前面のガラ
ス板１０は回転中心１４を軸として回転し、可変頂角プ
リズムの頂角θを自由に変えることができる。可変頂角
プリズムはその頂角に応じて光線を曲げることができ、
透明部材１２の屈折率をｎ、頂角をθ、入射光線と出射
光線のふれ角をδとすると頂角の小さい範囲ではふれ角
δは以下のように表される。

【００１５】δ＝（ｎ−１）θ ここで、透明部材１２としてシリコンオイルを用いた場
合、約ｎ＝１．４なので頂角θを１０度とするとふれ角
δは４度となる。

【００１６】図中では観察者が立体ディスプレイの中央
線上の基準位置にいるときの右眼Ｅ _R 、左眼Ｅ_L の位置
と立体視できる領域６ａを示しており、観察者が図のよ
うに基準位置からずれて右眼がＥ_R ’、左眼がＥ_L ’の
位置にきたときには、それに応じて可変頂角プリズムの
頂角θを変化させ、立体視できる領域を６ｂとなるよう
に追従させる。可変頂角プリズムの頂角がθのときは光
線は図のように曲げられて立体視領域は６ｂのようにふ
れ角δだけ回転する。たとえば、観察者の基準位置をデ
ィスプレイから約５０ｃｍとしたとき、可変頂角プリズ
ムのふれ角δが±４度（頂角で±１０度に相当）の範囲
で観察者に追従できるとすると立体視領域は左右に±約
３５ｍｍ移動する。これにより観察者の立体視領域は、
立体ディスプレイが観察者に追従しないときは中央の基
準位置を中心として左右に±３２．５ｍｍ（両眼距離の
標準を６５ｍｍとする）であったものが、観察者に追従
させて角度を変化させることにより±６７．５ｍｍとほ
ぼ倍にすることができる。

【００１７】図４は本参考技術例の装置の具体的な構成
の説明図である。レンチキュラーレンズ５を設けた液晶
ディスプレイ１の前面に可変頂角プリズム９を配置し、
観察者は可変頂角プリズム９を通して映像を見るように
なっている。可変頂角プリズム９の後面のガラス板１１
は固定で、前面のガラス板１０は図示せぬ軸受けに支持
された回転軸１５を中心に回動するようになっており、
前面ガラス板１０の端部の部材１６に回転駆動機構２１
が設けられている。回転駆動機構２１は電磁コイルを利
用したリニアアクチュエータ１７と部材１６をリニアア
クチュエータに押しつけるための復元用ばね１８からな
る。また、角度検出センサ２３は部材１６の一部に設け
られたエンコーダー目盛り１９とフォトセンサ２０から
構成されている。２２は超音波センサからなる頭部位置
検出センサで、ディスプレイの左右に配置されて超音波
の反射時間により各々観察者の頭部までの距離を検出
し、図示せぬ検出回路で演算して観察者の頭部のディス
プレイに平行な水平方向の位置を求めるものである。

【００１８】図５は本参考技術例の装置の制御系の構成
を示したブロック図である。ＣＰＵ３４は頭部位置検出
センサ２２及び検出回路３２で検出した観察者の頭部位
置を読み込み、その信号に基づいて可変頂角プリズムの
光軸が観察者の頭部の中央部の方向を向くような目標の
頂角の角度を演算する。同時に可変頂角プリズム９の頂
角を角度検出センサ２３及び検出回路３３を通して、現
在の頂角の角度を読み込み、目標の頂角と比較して、そ
の差が０となるように駆動回路３１、角度可変アクチュ
エータ１７により可変頂角プリズム９を制御している。
これにより、可変頂角プリズムが動く範囲内で観察者は
常に立体視領域のほぼ中央にいるように制御され、立体
視領域を実質的に広くすることができる。本実施例で
は、超音波センサを用いたが、赤外線を用いた距離セン
サによる頭部位置検出センサで構成してもよいし、また
ビデオカメラにより観察者の頭部を撮影し、画像処理し
て頭部または両眼の位置を求める方式でもよい。

【００１９】また、本参考技術例では、可変頂角プリズ
ムの観察者側のガラス板を可動として説明したが、反対
に、ディスプレイ側を可動にして、観察者側を固定とし
ても同様の効果が得られる。 〈実施形態〉図７〜図１０を用いて、本発明の実施形態
を説明する。

【００２０】一般に、レンチキュラーレンズを用いた立
体ディスプレイにおける奥行き感は観察者の両眼に入る
右眼用画像と左眼用画像の差異により生ずるもので、観
察者が画像の中で注目している対象の右眼用画像と左眼
用画像（以降右画像及び左画像と略す）の水平方向の位
置の差により奥行きを感じている。図７は奥行きの違う
対象Ａ，Ｂをカメラで撮影したときの左右画像における
位置関係を示している。ＯR ，ＯL は撮影レンズで、各
々撮像面６１，６２に結像し、その像を反転すると、右
画像６３、左画像６４が得られる。各々の画像でＡ，Ｂ
の像の水平方向の位置は入れ替わっている。ここで得ら
れた左右の画像をレンチキュラーレンズを用いた立体デ
ィスプレイに表示するとき、左右の画像の水平方向の位
置関係により観察者にどのように見えるかを示したのが
図８（ａ），（ｂ）である。

【００２１】図８（ａ）は対象Ａの左右画像の像ａ１，
ａ２をディスプレイ画面上で一致させた場合で、対象Ａ
は画面上にあるように見え、対象Ｂは画面上で視差を持
つため、画面の奥にあるように見える。また、図８
（ｂ）は対象Ｂの左右画像の像ｂ１，ｂ２を一致させた
場合で、対象Ｂは画面上に見え、対象Ａは画面の手前に
あるように見える。すなわち、左右の画像をディスプレ
イ画面上で水平方向にずらすことにより、どの対象をデ
ィスプレイ画面上で一致して見えるようにするか選ぶこ
とができる。

【００２２】実際に観察者が立体ディスプレイを見ると
き、対象の左右画像の像が画面上である程度以上の視差
をもっていると２重の像を一つのものとして融合して認
識するのが困難になり、対象の像がぼやけて鮮明に見え
なくなる傾向がある。そこで、本実施例では立体ディス
プレイに表示する際、観察者のディスプレイ画面上の視
線位置を検出し、その視線位置の対象の像が画面上で一
致するように左右画像を水平方向に移動させるように制
御を行う。

【００２３】図９は本実施形態の立体ディスプレイの画
面制御の原理説明図で、図１０はその画面制御のフロー
を説明するブロック線図である。

【００２４】図９（ａ）で、４１はレンチキュラーレン
ズ方式の立体ディスプレイ画面で、４２は左画像４５の
中の対象像、４３は右画像４６の中の対象像であり、レ
ンチキュラーレンズにより各々左眼、右眼に分離して観
察されて立体視される。４４は観察者が注視している視
線位置を中心とする領域で、図９（ｂ）のように、その
領域で視線位置の対象像について、左画像４５と右画像
４６を立体ディスプレイ画面４１に対して各々右と左に
移動させることにより一致させることにより対象像はよ
り鮮明に見えるようになる。

【００２５】図９（ｃ）は実際の移動量の求め方の説明
図であり、図１０は画面制御のフローチャートである。
図９（ｃ）において、左画像４５、右画像４６がディス
プレイ画面に対して図のようにｄi だけずれた状態から
始まるとして、視線が次の視線位置に移動する時の画面
制御を説明する。視線が正６角形の対象４８（左画像４
５上）、対象４９（右画像４６上）に移動した時、視線
検出センサにより観察者の視線の平均滞留位置４７すな
わちディスプレイ画面上の座標（Ｘ，Ｙ）を求め、そこ
を中心として前もって大きさが最適化されたウインドウ
領域４４を設定する。次に、その視線滞留位置４７の左
画像４５を基準とした水平座標ｘL を求めるとｘ_L ＝Ｘ
＋ｄ_i となる。そして、左画像のウインドウ領域４４内
の画像を基準として、右画像上でもっとも相関の高い画
像領域を探索しその位置ｘ_R （右画像４６を基準とした
ｘ座標）を求めるために右画像の同じ水平線上に沿って
走査して画像相関を演算する。

【００２６】画像相関演算の方法としては対応する各々
のピクセルごとの濃度値の誤差の２乗和が最小となる位
置を求める方法を用いる。視線滞留位置の左画像の水平
座標ｘ_L と右画像の水平座標ｘ_R とから新たな左右画像
のずらし量ｄ_i を求めると、ｄ_i ＝（ｘ_L −ｘ_R ）／２
となる。そのずらし量ｄ_i だけ左右画像をディスプレイ
画面に対して水平方向に移動させ、再びレンチキュラー
レンズ方式に対応するように左右画像が交互にストライ
プ状に並ぶような合成処理をして表示する。

【００２７】以上の画像制御の流れを図１０に示す。視
線の滞留位置が変化するごとにその位置の新たな対象像
が左右画像で一致するように常に画面制御される。

【００２８】ここで、左右画像をずらし量ｄ_i だけずら
すと、ディスプレイ画面上では左右の部分が左右画像の
どちらか一方の画像しかなくなるため、その部分ではレ
ンチキュラーレンズの一つのピッチ内での表示はその一
方の画像のストライプと同じものを他方の画像位置に配
置して、左眼と右眼に同じ画像が入るようにする。これ
により、その部分は立体感が得られないが、ディスプレ
イ画面の両端なので違和感は少ない。表示のディスプレ
イ画面の幅に対して左右画面の幅が十分大きい場合には
このような処理は必要ない。

【００２９】以上説明した画像制御は、ＣＰＵを用いて
ソフトウェアで処理してもよいし、専用の画像処理回路
を用いてもよい。視線位置検出に関しては、ビデオカメ
ラで観察者の頭部を撮影し、画像処理により両眼の部分
を切り出し、黒目の部分と白目の部分をパターン認識し
て、両眼の黒目の間隔及び水平位置を視線位置と対応づ
ける方式を用いることができる。また、参考技術例１で
述べた頭部位置検出方法と、眼鏡のフレームに眼球に赤
外線を投射するＬＥＤとその反射光を検出するＣＣＤカ
メラとを設け、そのプルキニエ像を利用して眼球の角度
を求めて視線位置を検出する方式とを組み合わせた視線
位置検出方式でもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
観察者の視線位置を検出し、その位置で左右画像の視線
位置の対象の像を一致させることにより、像が二重に見
えるような不都合が防止され、視線位置の対象の像を鮮
明に観察することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の参考技術例１の立体ディスプレイ装置
の概略構成を示す斜視図。

【図２】図１の装置の制御系の構成を示すブロック図。

【図３】図１の装置における立体視領域の拡大方法を説
明するための図。

【図４】本発明の参考技術例２の立体ディスプレイ装置
の概略構成を示す斜視図。

【図５】図４の装置における制御系の概略構成を示すブ
ロック図。

【図６】図４の装置における立体視領域の拡大方法を説
明するための図。

【図７】本発明の実施形態の立体ディスプレイ装置にお
ける立体視の原理を説明するための図。

【図８】立体視において左眼画像と右眼画像との位置の
入れ替りを説明するための図。

【図９】（ａ）は立体ディスプレイ画面における左眼画
像と右眼画像とを説明するための図。（ｂ）は立体ディ
スプレイ画面において左眼画像と右眼画像とをそれぞれ
左と右に移動させて対象像を鮮明にする場合を示した
図。（ｃ）は左画像と右画像を移動させる場合の移動量
の求め方の説明図。

【図１０】本発明の実施形態である画像制御方法の説明
図。

【図１１】レンチキュラーレンズを用いた従来の立体デ
ィスプレイの説明図。

【符号の説明】

１…液晶ディスプレイ ２，４…ガラス
基板 ３…表示画素部 ５…レンチキュ
ラーレンズ ６…立体視領域 ９…可変頂角プ
リズム １０，１１…透明ガラス板 １２…透明部材 １３…蛇腹 １４…回転中心 １５…回転軸 １６…端部部材 １７…リニアアクチュエータ １８…復元用ば
ね １９…エンコーダ目盛り ２０…フォトセ
ンサ ２１…回転駆動機構 ２２…頭部位置
検出センサ ２３…角度検出センサ ３２，３３…検
出回路 ３４…ＣＰＵ ３１…駆動回路 ４１…立体ディスプレイ画面 ４２…左画像の
中の対象像 ４３…右画像の中の対象像 ４５…左画像 ４６…右画像 ４７…平均滞留
位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H059 AB04 AB13 2H088 EA06 HA26 MA01

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レンチキュラーレンズを画像表示部の前
   面に用いた立体ディスプレイにおいて、立体ディスプレ
   イ上の観察者の視線位置を検出する手段と、その視線検
   出位置において右眼用画像と左眼用画像の観察対象の像
   がディスプレイ上で一致するように制御する手段と、を
   備えたことを特徴とする立体ディスプレイ装置。
2. 【請求項２】 レンチキュラーレンズを画像表示部の前
   面に用いた立体ディスプレイの画面制御方法において、
   立体ディスプレイ上の観察者の視線位置を検出し、その
   視線検出位置において右眼用画像と左眼用画像の観察対
   象の像がディスプレイ上で一致するように制御すること
   を特徴とする立体ディスプレイ装置における画面制御方
   法。