JP2005091447A - 立体表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】立体表示領域を拡大することができる立体表示装置を提供すること。
【解決手段】立体観察領域にメインローブとサイドローブを交互に表示する多眼立体表示手段と、前記メインローブ或はサイドローブの発生を順次切り替えて繰り返し制御するローブ制御手段と、前記ローブ制御手段によって発生したメインローブ或はサイドローブに応じた視差画像を表示する視差画像表示手段と、前記ローブ制御手段と視差画像手段のタイミングを図る同期手段を含んで立体表示装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の視差画像を観察者に表示することで立体表示を行う立体表示装置、特に３視差以上の視差画像を表示する多眼式の立体表示装置に関する。

（１）従来の２眼式立体表示手段の説明：
左右２枚の視差画像を観察者の眼に各々表示する、所謂、２眼式立体表示装置は構成が簡素なため、広く用いられてきた。直視型の２眼式立体表示装置はパララックスバリア方式とレンチキュラ方式が代表的で広く知られている。

パララックスバリア方式については、非特許文献１（S.H.Kaplan, “Theory of
Parallax Barriers", J.SMPTE,Vol. ５９,No.７,pp.１１−２１（１９５２））に開示されている。この方式によれば、複数視点からの複数視差画像のうち、少なくとも左右視差画像を交互に配列されたストライプ画像を、この画像から所定の距離だけ離れた位置に設けられた所定の開口部を有するスリット（パララックスバリアと呼ばれる）を介して、左右それぞれの眼でそれぞれの眼に対応した視差画像を観察することにより立体視を行うことができる。

レンチキュラ方式は、ディスプレイの前面にかまぼこ状のレンズを多数並べたレンチキュラを設け、空間的に左右の眼に入る画像を分離してユーザに立体像を観察させる。
（２）２Ｄ／３Ｄ混在表示の説明：
２次元画像（一視点画像）表示装置との両立を達成するために、パララックスバリアを透過型液晶表示装置等により電子的に発生させ、バリアパターンの形状や位置等を電子的に可変制御するようにした立体表示装置が、特許文献１及び特許文献２に開示されている。

図１４は特許文献１に開示されている立体画像表示装置の基本構成図である。

この立体画像表示装置は、画像表示を行う透過型液晶表示装置９０１と、これに厚さｄのスペーサー９０２を介して配置される透過型液晶表示素子を具備する。透過型液晶表示装置９０１には２方向又は多方向から撮像した視差画像を縦ストライプ画像として表示する。そして、電子式パララックスバリア９０３にはＸＹアドレスをマイクロコンピュータ９０４等の制御部によって指定することにより、バリア面上の任意の位置にパララックスバリアパターンを形成し、前記パララックスバリア方式の原理に従って立体視を可能とする。

又、図１５は特許文献２に開示されている液晶パネルディスプレイと電子式パララックスバリアによって構成された立体画像表示装置の表示部の構成図であり、２枚の液晶層９１５，９２５をそれぞれ２枚の偏光板９１１，９１８及び９１２，９２８で挟んだ構成になっている。この装置において、２次元画像表示を行う際には、電子式パララックスバリアパターンの表示を停止し、電子式バリア９０３の画像表示領域の全域に亘って無色透明な状態にすることで、２次元表示との両立性を実現している。

又、特許文献２には、図１６に示すように透過型液晶表示素子から成る電子式パララックスバリア９０３の一部領域にのみバリア・ストライプのパターンを発生させることができる構成とし、３次元画像と２次元画像とを同一面内で混在表示することを可能とした例が開示されている。
（３）多眼式の立体表示装置の説明：
上述のように左右２枚の視差画像を用いる２眼式立体表示装置では立体に観察できる立体観察領域が狭い。この短所を克服するため、３つ以上の視差画像を観察者に表示する多眼式立体表示装置の試みがなされてきた。

複数台の投射型表示装置からレンチキュラスクリーンに視差画像を投影する方式等が代表的である。又、液晶表示装置やプラズマディスプレイ等のフラットディスプレイとパララックスバリアやレンチキュラを組み合わせて多眼表示する立体表示装置も従来から知られている。一般にレンチキュラやパララックスバリアを用いて多眼表示する立体表示装置は水平方向のみ解像度が劣化し、水平方向と垂直方向の解像度バランスが悪くなる。この水平解像度のみの劣化を垂直方向に分散して解像劣化を平均化した例が、特許文献６や特許文献３にて提案されている。
（４）多眼式のメインローブ及びサイドローブの説明：
特許文献７の図１７では３眼式、図１８では４眼式の例が述べられている。特許文献７の図１７において、立体的に観察できる領域は図中のＡ，Ｂ及びＣである。又、図に示すように、その領域が周期的に繰り返すので隣のＡ，Ｂ及びＣの領域でも観察できる。中央で観察可能な領域（Ａ，Ｂ及びＣ）をメインローブ、その横にある観察可能領域をサイドローブと呼ぶ。

メインローブは図中の光学フィルタの開口（レンズ）機能部分に対応する液晶パネルの画像を分離するが、サイドローブでは隣の開口を透過して視差画像を表示する。メインローブとサイドローブの境界部分、例えば特許文献７の図１７では左目にＡ領域、右目Ｃ領域の際は逆立体視の状態となり、正常な立体視はできない。特許文献７の図１８は４眼の例であり、Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤが１つのローブであり、中央にメインローブ、横にサイドローブが繰り返される。３眼よりも４眼の方が逆立体視に対して正立体視領域の割合が増えて、観察し易い表示となる。このように眼数が多いほど、観察し易くなるが、反面、解像度の高い表示パネルが必要となる。
（５）サイドローブ利用した公知例１：
特許文献４の実施例４（図３４〜図３６）には２つの空間変調素子を用いて、サイドローブを利用して表示する方式が開示されている。この例では開口制御用の空間変調素子（ＳＬＭ２）の開口位置の制御と視差画像を表示する空間変調素子（ＳＬＭ１）の表示画像の制御を行うことによって、広い観察領域を確保している。
（６）サイドローブ利用した公知例２：
特許文献５には、シャッタアレイと同期し、サイドローブを利用する立体表示技術が開示されている。

特開平３−１１９８８９号公報 特開平５−１２２７３３号公報 特開２００１−２１１４６５号公報 特開平０８−３３４７号公報 特開平１０−２８２４５３号公報 特登録０２９６６７６２号 特登録０２９０２９５７号 S.H.Kaplan, "Theory of Parallax Barriers", J.SMPTE,Vol. ５９,No.７,pp.１１−２１（１９５２）

（１）従来の２眼式では観察領域が狭く、観察位置によっては逆立体視になる。
（２）上記従来例の多眼式では表示パネルの解像度は表示眼数に反比例するため、連続した立体視領域を広げるために眼数を多くすると、それに応じて高解像度の表示パネルが必要となる。
（３）特許文献４に記載されている方法では、シリンドリカルレンズアレイのピッチが大きいと、そのピッチの画像ムラが観察されて視認性の悪い画像となる。そのため、ピッチを小さくする必要がある。特許文献４の実施例４の形態では、シリンドリカルレンズアレイのレンズの数に比例して高速表示切り替えをする必要があり、非現実的であった。又、１つのシリンドリカルレンズに対応した開口しか空いていないため、画像が暗くなる問題があった。
（４）特許文献５では、開口が周期的に発生するシャッタアレイと二次元表示面の組み合わせで構成されるため、画像が所定の開口以外から観察されない条件を満たすためには、シャッタアレイと表示面の間隔やシャッタアレイのピッチ及び視差画像のピッチ等の制約が大きく、設計自由度が狭い。
（５）特許文献４や特許文献５のように時分割を利用する立体表示装置では、表示パネルに高速な表示速度が要求され、構成上の選択肢が狭い。
（６）後述の実施の形態１に示す多眼式立体表示装置では、２Ｄ／３Ｄ切り替え及び２Ｄ／３Ｄ混在表示が実現できない。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、立体表示領域を拡大することができる立体表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、立体観察領域にメインローブとサイドローブを交互に表示する多眼立体表示手段と、前記メインローブ或はサイドローブの発生を順次切り替えて繰り返し制御するローブ制御手段と、前記ローブ制御手段によって発生したメインローブ或はサイドローブに応じた視差画像を表示する視差画像表示手段と、前記ローブ制御手段と視差画像手段のタイミングを図る同期手段を含んで立体表示装置を構成したことを特徴とする。

又、本発明は、立体観察領域にメインローブとサイドローブを交互に表示する多眼立体表示手段と、観察者の視点位置を検出する視点位置検出手段と、前記視点検出手段が得た視点位置に応じてローブを発生させるローブ位置制御手段と、前記視点検出手段或は前記ローブ位置制御手段に応じた視差画像を表示する視差画像表示手段を含んで立体表示装置を構成したことを特徴とする。

本発明によれば、メインローブとサイドローブが発生し、複数の視差画像を表示する立体表示手段に前記メインローブ或はサイドローブを制御する手段を設けることによって、立体表示領域を拡大することができ、観察者一人の場合でも、視点追従が構成でき、表示パネルの表示速度に依存することなく、立体表示領域が拡大できる。

２次元表示と３次元表示が制御できる手段を設けることにより、２Ｄ／３Ｄ切り替え表示と２Ｄ／３Ｄ混在表示が可能となる。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

＜実施の形態１＞
図１〜図３を用いてサイドローブ利用の基本原理である実施の形態１を説明する。本実施の形態では、立体表示光学系をパララックスバリア方式として説明するが、観察領域にメインローブとサイドローブが交互に表示されるレンチキュラ等の他の方式でも成り立つ。
（１）実施の形態１の全体構成：
図１に本実施の形態で多眼３次元表示を行うための光学系の斜視図を示す。

１０１は視差画像を光学的に指向性を持たせるためのパララックスバリアである。１０２は表示パネルで、液晶表示装置やプラズマディスプレイ等の所謂、フラットパネルディスプレイによって構成され、コンピュータ等の映像信号により所定の視差画像を表示する。５０Ｒと５０Ｌは観察者の右目と左目を現す。１０３はローブ制御部材で、液晶表示パネル等の空間変調素子で構成され、光の透過と遮光を電子的に制御し、立体表示のローブ発生を制御する。

図２に本実施の形態のシステム構成を示す。

１１０はローブ制御部材１０３を所定の位置に開口発生させるローブ制御駆動部、１２０は表示パネル１０２の画像表示を制御する画像表示系、１３０はローブ制御駆動部と画像表示系のタイミングを取るためのローブ同期部である。ローブ同期部１３０は、表示パネル１０２の表示タイミングとローブ制御部材１０３の開口発生位置のタイミングを取るものであり、画像表示制御部或はローブ制御駆動部１１０の中に機能が含まれても問題ない。
（２）ローブ制御と表示画像の動作説明：
図３（１）〜（３）は本発明の動作を説明する動作図であり、メインローブ及び左右サイドローブの合計３つを利用し、４眼式のパララックス光学系で視差画像１〜視差画像１２までの１２眼の視差画像を表示することが可能である。

図３の表示パネル１０２の視差画素ピッチとパララックスバリア１０１の開口ピッチは、従来のパララックスバリア方式やレンチキュラ方式で知られているように幾何学的な関係で導かれる。図中のように視差画像のピッチＰＡ、パララックスバリアのピッチＰＢ、眼数をＮｄ（本実施の形態では、Ｎ＝４）以下の関係になる。

ＰＡ×Ｎｄ＞ＰＢ
更に、ローブ制御部材の開口ピッチをＰＣとおくと以下の関係になる。

ＰＡ×Ｎｄ＞ＰＣ＞ＰＢ
図３ではパララックスバリアと表示パネルの間にローブ制御部材が設けられているが、ローブ制御部材をパララックスバリアと観察者の間に設けても良く、この場合は以下の関係となる。

ＰＡ×Ｎｄ＞ＰＢ＞ＰＣ
ローブ制御部材は、所定の観察領域で１つのローブのみ表示するように構成される。パララックスバリア等の光学構成により、ローブ制御部材の仕様は幾何学的に求めることができる。

図３（１）はメインローブのみ、即ち、視差画像５から視差画像８を表示するものである。図３（１）ではローブ制御部材の作用によってサイドローブが発生しないように表示パネルからの画像光を制御する。この視差画像５から視差画像８に対応する画像を表示パネルに表示する。

図３（２）では、左側のサイドローブのみ、即ち視差画像１から視差画像４を表示するようにローブ制御部材を制御する。同時に表示パネルに対応した視差画像を表示する。同様に図３（３）は右側のサイドローブのみ、即ち視差画像９から視差画像１２を表示するようにローブ制御部材と表示パネルを制御する。図３（１）〜（３）で説明した動作を観察者の残像時間内に行えば、観察者には視差画像１〜視差画像１２の画像を観察することができる。
（３）表示光学系の眼数、使用ローブ数及び観察できる眼数の関係：
１つのローブ内で提示できる表示光学系の眼数をＮｄ、表示に使用するローブの数をＮｒ、観察者に表示できる眼数をＮｏとおけば、これらの関係は以下のように単純なものになる。

Ｎｏ＝Ｎｄ×Ｎｒ
又、上述の図２で説明した内容では、メインローブと２つのサイドローブの構成で、Ｎｒ＝３である。このようにＮｒが奇数のときにはメインローブとサイドローブの区別ができる。しかし、Ｎｒが偶数のときにはメインローブとサイドローブの区別がつかないが、図２のシーケンスが偶数回数になるだけで問題ない。

更にＮｒが奇数ならば、そのメインローブの中心位置を立体表示装置の表示部の略中心位置にする。Ｎｒが偶数ならば、ローブとローブの境界位置を立体表示装置の表示部の略中心位置にする。
（４）ローブ制御手段の他の方法：
上記では、ローブ制御手段を電子的に制御可能な空間変調素子として説明したが、開口がパターニングされた板ガラス状の開口マスク板を機械的に移動させても同等の効果がある。

以上、実施の形態１で説明したようにサイドローブを利用して表示することにより、連続して立体観察できる領域、即ち、メインローブ領域を大幅に広げることが可能である。

＜実施の形態２＞
図４〜図１３を用いて視点追従に関する実施の形態２について説明する。尚、図中の番号で実施の形態１と同じものは同様の機能を果たす。
（１）実施の形態１の多眼式に視点追従を付加した場合のメリット：
２眼式の立体表示装置では、観察者の視点位置を検出し、その視点位置に立体視領域を追従することで実用上の立体視領域を拡大している。この場合、２人以上の観察者に立体視領域を追従させることは不可能であり、１人用の立体表示装置となってしまう。しかしながら、パーソナルコンピュータ等のように、通常は１人で観察するものが多く、１人用のデメリット以上に立体視領域が広がるメリットの方が大きい場合も多い。

実施の形態１のような多眼式の立体表示装置に視点追従機能を付加したときのメリットは２つある。１つは表示パネルやローブ制御部材の駆動周波数が低く抑えられる。もう１つは、２眼式に比べて視点検出と追従の精度が甘くても良い。
（２）視点検出・追従のシステムの説明：
図４は実施の形態２の視点検出・追従システムを説明するシステム構成図である。

図中の２０１は観察者の視点位置を検出するための視点検出部である。視点検出の手段はビデオカメラで撮影した画像を画像処理によって観察者を抽出するものや、赤外線の投受光によって検出するもの等、様々な手段が既に開示されている。本実施の形態も公知の検出技術を利用することができる。２０２は追従制御部で視点検出部２０１からの視点位置に応じて、ローブ制御駆動部２０３と画像表示制御部２０４に司令を出す。ローブ制御駆動部２０３は観察者の視点位置に応じて開口位置を制御し、画像表示制御部では観察位置に応じた視差画像を表示する。シーケンシャルに制御していた実施の形態１とは、これらの点で異なる。
（３）視点追従の動作説明：
図５〜図７は本発明の動作を説明する動作図である。図５は観察者が略中央（領域１）にいる場合、図６は観察者が左側（領域２）にいる場合、図７は観察者が右側（領域３）にいる場合である。

図８〜図１１は上述の動作を行っても、観察者の片目のみ視差画像が表示され、正常な立体視の状態に無い場合の説明図である。

図１２と図１３は上述の図８〜図１１の問題点を解決するものである。図中の領域４〜６のように所定量シフトした制御領域を設けることでローブ間にオーバーラップが生じる。そのシフトした制御領域に対応してローブ制御部材のローブ発生と視差画像の描画を行えば良い。この所定シフト量は視差画像間のピッチの整数倍となる。例えば、図１２のローブは「視差画像６，５，４，３」のローブ、図１３は「視差画像１０，９，８，７」のローブのように構成する。このように図１２と図１３の状態を発生することで、観察者の片目のみに視差画像を表示することはない。

以上、実施の形態２で説明したように、１人の観察者の立体視領域を表示デバイスの表示速度に関係なく拡大できる。

＜実施の形態３＞
以下に、２次元表示に関して説明する。
（１）立体表示装置における２次元表示の一般的な説明：
コンピュータシステムやテレビジョンシステムでは、従来のデータやソースを使用するために２次元表示の要求がある。立体表示装置で行う２次元表示としては、２Ｄ／３Ｄ切り替え表示と２Ｄ／３Ｄ混在表示がある。２Ｄ／３Ｄ切り替え表示は、立体表示装置の表示画面を２次元表示或は３次元表示に切り替えるもので、２次元表示のときは通常の２次元専用と同様の使用ができる。２Ｄ／３Ｄ混在表示は、立体表示装置の表示画面の一部が３次元表示、他が２次元表示されるものである。

本発明の実施形態で２次元表示するには以下の方法がある。
（２）表示パネルの表示画像のみで制御：
２Ｄ／３Ｄ切り替え表示する場合には、表示する視差画像を全て同じ視差画像にすれば２次元表示なる。又、３次元表示を行いたい部分のみに視差を表示すれば、２Ｄ／３Ｄ混在表示となる。
（３）パララックスバリアを液晶で構成：
パララックスバリアを液晶表示装置等で構成し、電子的に発生制御ができるように構成すれば、多眼立体表示の有効と無効が制御できる。２Ｄ／３Ｄ切り替え表示する場合には、パララックスバリアとローブ制御部材を透過になるように制御する。又、３次元表示を行いたい部分のみにパララックスバリアとローブ制御部材の機能を電子的に発生させれば、２Ｄ／３Ｄ混在表示となる。
（４）拡散板を挿入：
視差画像の光学的な指向性を打ち消すための拡散版を挿入する。又、この拡散板は電気的に拡散或は透過制御できるものでも良い。

以上、実施の形態３で説明したように２Ｄ／３Ｄ切り替え表示と２Ｄ／３Ｄ混在表示が可能となり、ユーザに使い勝手の良いディスプレイが提供できる。

本発明は、複数の視差画像を観察者に表示することで立体表示を行う立体表示装置、特に３視差以上の視差画像を表示する多眼式の立体表示装置に対して適用可能である。

本発明の実施の形態１に係る立体表示光学系の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るシステム構成図である。 本発明の実施の形態１に係るローブ制御動作説明図である。 本発明の実施の形態２に係るシステム構成図である。 視点追従の動作説明図（１）である。 視点追従の動作説明図（２）である。 視点追従の動作説明図（３）である。 視点追従の動作説明図（４）である。 視点追従の動作説明図（５）である。 視点追従の動作説明図（６）である。 視点追従の動作説明図（７）である。 視点追従の動作説明図（８）である。 視点追従の動作説明図（９）である。 従来の電子式パララックスバリア方式の基本構成図である。 従来の電子式パララックスバリア方式の表示部構成図である。 従来の２Ｄ／３Ｄ混在表示の説明図である。

符号の説明

１０１ パララックスバリア
１０２ 表示パネル
１０３ ローブ制御部材
１１０ ローブ制御駆動部
１２０ 画像表示系
１３０ ローブ同期部
２０１ 視点検出部
２０２ 追従制御部
２０３ ローブ制御駆動部

Claims (16)

1. 立体観察領域にメインローブとサイドローブを交互に表示する多眼立体表示手段と、前記メインローブ或はサイドローブの発生を順次切り替えて繰り返し制御するローブ制御手段と、前記ローブ制御手段によって発生したメインローブ或はサイドローブに応じた視差画像を表示する視差画像表示手段と、前記ローブ制御手段と視差画像手段のタイミングを図る同期手段を備えることを特徴とする立体表示装置。
2. 前記多眼表示手段のメインローブ或はサイドローブの１つのローブ内に表示できる眼数をＮｄ、前記ローブ制御手段によって順次切り替え表示に使用するローブの数をＮｒ、観察者に表示できる眼数をＮｏとするとき、
   Ｎｏ＝Ｎｄ×Ｎｒ
   の関係を満足することを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
3. 前記ローブの数Ｎｒが奇数であって、ローブの中心位置が立体表示装置の中心に略一致していることを特徴とする請求項２記載の立体表示装置。
4. 前記ローブの数Ｎｒが偶数であって、ローブとローブの境界位置が立体表示装置の中心に略一致していることを特徴とする請求項２記載の立体表示装置。
5. 前記ローブ制御手段の繰り返し１周期は人間の残像時間以内であることを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
6. 前記ローブ制御手段は、視差画像表示手段と観察者の間に設けられ、所定の観察領域に１つのローブのみを発生させるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
7. 前記ローブ制御手段は、光の透過と遮光を電子的に制御可能な空間変調素子で構成したことを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
8. 前記ローブ制御手段は、開口部を有する開口マスク板を機械的に移動制御することで構成したことを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
9. 立体観察領域にメインローブとサイドローブを交互に表示する多眼立体表示手段と、観察者の視点位置を検出する視点位置検出手段と、前記視点検出手段が得た視点位置に応じてローブを発生させるローブ位置制御手段と、前記視点検出手段或は前記ローブ位置制御手段に応じた視差画像を表示する視差画像表示手段を備えることを特徴とする立体表示装置。
10. 前記ローブ位置制御手段でローブ幅毎に視差画像表示手段で視差画像を表示する第１の状態と、前記第１の状態に対して所定シフト量ずらした第２の状態を有することを特徴とする請求項９記載の立体表示装置。
11. 前記所定シフト量は、視差画像ピッチの整数倍であることを特徴とする請求項１０記載の立体表示装置。
12. 前記ローブ制御手段は、視差画像表示手段と観察者の間に設けられ、所定の観察領域に１つのローブのみを発生するように構成されたことを特徴とする請求項９記載の立体表示装置。
13. 前記ローブ制御手段は、光の透過と遮光を電子的に制御可能な空間変調素子で構成したことを特徴とする請求項９記載の立体表示装置。
14. 表示画面全体或は一部の領域で同一の視差画像を表示することを特徴とする請求項１〜１３の何れかに記載の立体表示装置。
15. 表示画面全体或は一部の領域において、多眼立体表示の有効と無効が制御できる２Ｄ／３Ｄ光学制御手段と、ローブ制御手段の遮光部の透過と遮光の制御ができる２Ｄ／３Ｄローブ制御手段を更に設けたことを特徴とする請求項１〜１３の何れかに記載の立体表示装置。
16. 表示画面全体或は一部の領域において、光をそのまま透過させ、或は拡散して透過させる透過制御手段を更に設けたことを特徴とする請求項１〜１３の何れかに記載の立体表示装置。

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