JP2005266569A - 三次元ディスプレイシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 構造が簡単で機構部品の劣化も少なく、更には観察者が斜め方向から観察したり頭及び両眼が左右に移動した場合でも鮮明な立体映像を観察することができる、三次元ディスプレイシステムを得る。
【解決手段】 左眼用画像と右眼用画像をＬＣＤに交互に表示するための画像表示手段と、観察者の頭及び両眼の位置及び左右の移動を検出するための観察者検出手段と、ＬＣＤの背面に設置したフレネルレンズに対し左眼用画像の表示期間に左眼用光源を照射し右眼用画像の表示期間に右眼用光源を照射すると共に観察者の頭及び両眼が左右に移動した場合にその移動方向及び移動量に追随して前記左眼用光源と右眼用光源の照射方向を変更するための光源照射方向変更手段と、前記画像表示手段と観察者検出手段と光源照射方向変更手段の電気機械動作の同期制御を行うための制御装置等により構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、立体映像を観察することができる三次元ディスプレイに関し、特に観察者が斜め方向から観察したり頭及び両眼が左右に移動した場合でも鮮明な立体映像を観察することができる、三次元ディスプレイシステムに関するものである。

従来、立体映像を観察するための三次元ディスプレイの方法として、観察者が偏光メガネをかけて観察する方法や、レンチキュラレンズをディスプレイの前面に配置することにより偏光メガネをかけることなく観察する方法等がある。

上記前者の方法は、ディスプレイの前面にＬＣＤシャッターを配置し、該ディスプレイに偏光状態を切替えた左眼用画像と右眼用画像とを交互に表示させ、観察者は偏光メガネを通して左右に分離された左眼用画像と右眼用画像の視差画像を観察することにより立体映像を認識するものである。該方式では観察者は常に偏光メガネをかけなければならないという欠点があった。

また、上記後者の方法は、ディスプレイの前面にレンチキュラレンズを配置することにより左眼用画像と右眼用画像の視差画像に指向性を持たせ、左右の眼に入る映像を空間的に分離することにより立体映像を認識するものである。該方式では偏光メガネをかける必要はないものの、立体視することができる領域の幅は観察者の両眼中心距離である約６５ｍｍ程度と狭く、観察者は頭及び両眼を左右に振らさず固定するようにして観察しなければならないという欠点があった。該欠点に対し、特開平０２−４４９５５号公報や特開平０９−１８５０１５号公報では、観察者の頭の移動を検出しスライド機構によりレンチキュラレンズをディスプレイに対して左右に移動制御すること、即ちヘッドトラッキングにより立体視領域を広げることが提案されている。

更に、上記後者の方法は、レンチキュラレンズの構成要素である半円形状のシリンドリカルレンズが像面湾曲収差を持っており、観察者が斜め方向から観察した場合に画像ボケが発生したり、左眼用画像と右眼用画像の表示書換時にクロストークが発生するという欠点があった。該欠点に対し、特開２０００−１３８９５１号公報では、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）の背面にリニアフレネルレンズ（レンチキュラレンズと同等）を配置し、更に該リニアフレネルレンズの後部に光源を配置し、表示画像の線順次走査に追随して光源の照射方向をガルバノミラーで変更しながら時分割にて書換表示を行う三次元ディスプレイが提案されている。
特開平０２−４４９５５ 特開平０９−１８５０１５ 特開２０００−１３８９５１

しかしながら、上記レンチキュラレンズを使用した三次元ディスプレイにおけるヘッドトラッキング方式は、レンチキュラレンズをディスプレイに対して左右に移動制御する必要があり、スライド機構としてリニアモータやカム機構等が必要となる。このため、機構的に大型且つ複雑化してしまうという欠点があった。

また、上記リニアフレネルレンズ及びガルバノミラーを使用した三次元ディスプレイは、表示画像の線順次走査に追随した光源の照射方向をリニアに変更する必要があり、サーボモータ等を使用した回動装置が必要となる。ここで、左眼用と右眼用の各回動装置において、左眼用画像と右眼用画像を表示させるため毎秒６０回ずつ鋸波状信号に追随して回動制御する必要があり、機構的に複雑化してしまうと共に回動装置が高速動作を行うため、サーボモータ等の機構部品が早く劣化してしまうという欠点があった。

本発明は、上記のような欠点を解決するために成されたものであり、構造が簡単で機構部品の劣化も少なく、更には観察者が斜め方向から観察したり頭及び両眼が左右に移動した場合でも鮮明な立体映像を観察することができる、三次元ディスプレイシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の三次元ディスプレイシステムにおいては、左眼用画像と右眼用画像をＬＣＤに交互に表示するための画像表示手段と、観察者の頭及び両眼の位置及び左右の移動を検出するための観察者検出手段と、ＬＣＤの背面に設置したフレネルレンズに対し左眼用画像の表示期間に左眼用光源を照射し右眼用画像の表示期間に右眼用光源を照射すると共に観察者の頭及び両眼が左右に移動した場合にその移動方向及び移動量に追随して前記左眼用光源と右眼用光源の照射方向を変更するための光源照射方向変更手段と、前記画像表示手段と観察者検出手段と光源照射方向変更手段の電気機械動作の同期制御を行うための制御装置等により構成される。

本発明によれば、光源照射方向変更手段において左眼用光源と右眼用光源の照射方向の変更及び観察者の頭及び両眼が左右に移動した場合にその移動方向及び移動量に追随して前記左眼用光源と右眼用光源の照射方向の追随変更をガルバノミラーを載置した回動装置で行うだけであり、構造が簡単になるという効果を奏する。また、左眼用光源と右眼用光源の照射方向の回動制御が毎秒３０回及び観察者の頭及び両眼が左右に移動した時のみであるため、サーボモータ等の機構部品の劣化も少なく長期使用に絶えることができるという効果も奏する。また、ディスプレイの前面にレンチキュラレンズを配置しないため、観察者が斜め方向から観察した場合でも画像ボケやクロストークの発生もなく、更にはヘッドトラッキングにより頭及び両眼が左右に移動した場合でも鮮明な立体映像を観察することができるという絶大な効果を奏する。

本発明の実施の形態を図を用いて説明する。図１は本発明の三次元ディスプレイシステムにおける構成模式図であり、図３は本発明の三次元ディスプレイシステムにおける制御装置のブロック回路図である。

本発明の実施形態例として、図１に示すように観察者１１の正面に立体映像を表示するための画像表示手段を配置する。該画像表示手段は、左眼用画像と右眼用画像を交互に表示するためのＬＣＤ３と、該ＬＣＤ３の背面より左眼用光源と右眼用光源の各光源を集光して照射するためのフレネルレンズ５と、該ＬＣＤ３に左眼用画像データと右眼用画像データを交互に出力するための画像データ出力装置４にて構成する。該画像データ出力装置４はパソコンやＤＶＤ等が好適であるが特に限定するものではない。

次に、上記ＬＣＤ３の中央部に観察者検出手段を配置する。該観察者検出手段は、画像処理により観察者１１の頭及び両眼の位置及び左右の移動量を検出するため当該観察者１１の頭及び両眼部を撮影するためのＣＣＤカメラ２が好適であるが特に限定するものではなく、他の検出手段を使用しても構わない。図２は本発明の三次元ディスプレイシステムを内蔵したディスプレイの正面図であり、ディスプレイ１２の上部中央にＣＣＤカメラ２を設置した例を示しているが、下部中央でも構わない。

次に、上記フレネルレンズ５の後部に光源照射方向変更手段を配置する。該光源照射方向変更手段は、左眼用画像の表示期間に左眼用光源を照射し右眼用画像の表示期間に右眼用光源を照射すると共に観察者１１の頭及び両眼が左右に移動した場合にその移動方向及び移動量に追随して前記左眼用光源と右眼用光源の照射方向を追随変更するため、光源装置６から照射される光源を集光するためのレンズ７と、該レンズ７の焦点距離位置で前記光源を反射させるためのガルバノミラー８と、該ガルバノミラー８を左眼用光源照射用と右眼用光源照射用の２つの固定角及び観察者１１の頭及び両眼が左右に移動した場合の移動方向及び移動量に追随して回動させるための回動装置９と、前記ガルバノミラー８で反射した光源をフレネルレンズ５に照射させるための拡散板１０をガルバノミラー８の近傍前部においてフレネルレンズ５と平行に設置して構成する。

また、前記画像表示手段と観察者検出手段と光源照射方向変更手段の電気機械動作の同期制御を行うための制御装置１を配置する。該制御装置１は、ＣＣＤカメラ２で撮影した観察者１１の頭及び両眼画像を入力し、正面での基準画像と比較して左右の移動方向及び移動量を検出するための画像処理部１３と、左眼用光源照射用と右眼用光源照射用の２つの固定角及び前記左右の移動方向及び移動量に追随してガルバノミラー８を回動させる回動装置９の同期制御を行うための回動制御部１５と、前記画像処理部１３と回動制御部１５及び当該制御装置１自体の制御を行うための回路制御部１４等により構成する。

本発明の実施例を図を用いて説明する。図１は本発明の三次元ディスプレイシステムにおける構成模式図であり、観察者１１の正面にＬＣＤ３が設置されている。また、該ＬＣＤ３の背面にはフレネルレンズ５が設置され、上部中央にＣＣＤカメラ２が設置されている。更にはＬＣＤ３に画像データ出力装置４が接続され、ＬＣＤ３に左眼用画像と右眼用画像を交互に表示可能となっている。該画像データ出力装置４は、制御装置１から出力される画像切替信号を受け、システムに同期した左眼用画像と右眼用画像の表示切替を行う。なお、該左眼用画像と右眼用画像の表示切替速度は６０フレーム、即ち左眼用画像と右眼用画像を毎秒３０回ずつ交互に表示するのが好適である。

ここで、画像データ出力装置４がＬＣＤ３に左眼用画像データを出力し当該ＬＣＤ３が左眼用画像を表示した場合、光源装置６から照射された光源はレンズ７にて集光され、焦点距離位置にあるガルバノミラー８に照射される。この時、回動装置９は制御装置１の回動制御部１５より回動信号を受け、ガルバノミラー８は図中Ｌの位置まで回動して静止する。該位置における光源は左眼用光源として、図中実線の矢印方向に反射すると共に拡散板１０の左側より拡散しフレネルレンズ５を照射する。

また、画像データ出力装置４がＬＣＤ３に右眼用画像データを出力し当該ＬＣＤ３が右眼用画像を表示した場合、光源装置６から照射された光源はレンズ７にて集光され、焦点距離位置にあるガルバノミラー８に照射される。この時、回動装置９は制御装置１の回動制御部１５より回動信号を受け、ガルバノミラー８は図中Ｒの位置まで回動して静止する。該位置における光源は右眼用光源として、図中点線の矢印方向に反射すると共に拡散板１０の右側より拡散しフレネルレンズ５を照射する。

図４は本発明の三次元ディスプレイシステムおけるガルバノミラーの回動動作説明図であり、右側より光源を照射した場合、（ａ）に示すように中心反射角を４５°としシステムの配置により決まる固定角をα°とすると、左眼用光源を照射する場合のガルバノミラー８の回動位置Ｌは（４５−α）°で、右眼用光源を照射する場合のガルバノミラー８の回動位置Ｒは（４５＋α）°の固定位置となる。

また、観察者１１の頭及び両眼が左右に移動した場合、左眼用光源と右眼用光源の照射方向を追随変更する必要がある。この場合、前記観察者検出手段によりその移動量に相当するトラッキング角を検出する。ここで、観察者１１が左に移動し、そのトラッキング角を−β°とした場合、（ｂ）に示すように左眼用光源を照射する場合のガルバノミラー８の回動位置Ｌは（４５−α−β）°で、右眼用光源を照射する場合のガルバノミラー８の回動位置Ｒは（４５＋α−β）°のトラッキング角に追随した可変位置となる。また、観察者１１が右に移動し、そのトラッキング角を＋β°とした場合、（ｃ）に示すように右眼用光源を照射する場合のガルバノミラー８の回動位置Ｌは（４５−α＋β）°で、右眼用光源を照射する場合のガルバノミラー８の回動位置Ｒは（４５＋α＋β）°のトラッキング角に追随した可変位置となる。

上記のようにして、ＬＣＤ３に左眼用画像を表示する時に左眼用光源をフレネルレンズ５に照射することにより左眼用画像が偏光して図１の図中実線の矢印で示すように観察者１１の左眼に結像し、ＬＣＤ３に右眼用画像を表示する時に右眼用光源をフレネルレンズ５に照射することにより右眼用画像が偏光して図中点線の矢印で示すように観察者１１の右眼に結像し、該左眼用画像と右眼用画像の視差画像により立体映像を認識することができる。また、観察者１１の頭及び両眼が左右に移動してもトラッキング機能により鮮明な立体映像を認識することができる。該方式によれば、ガルバノミラー８の回動制御は毎秒３０回の反復回動となり、回動装置１０の劣化は少ない。

本発明の三次元ディスプレイシステムは、テレビやパソコンのモニタを始め、立体映像を目的としたあらゆるシステムにおいて利用可能である。

本発明の三次元ディスプレイシステムにおける構成模式図である。 本発明の三次元ディスプレイシステムを内蔵したディスプレイの正面図である。 本発明の三次元ディスプレイシステムにおける制御装置のブロック回路図である。 本発明の三次元ディスプレイシステムにおけるガルバノミラーの回動動作説明図である。

符号の説明

１ 制御装置
２ ＣＣＤカメラ
３ ＬＣＤ
４ 画像データ出力装置
５ フレネルレンズ
６ 光源装置
７ レンズ
８ ガルバノミラー
９ 回動装置
１０ 拡散板
１１ 観察者
１２ ディスプレイ
１３ 画像処理部
１４ 回路制御部
１５ 回動制御部

Claims (2)

1. 左眼用画像と右眼用画像をＬＣＤに交互に表示するための画像表示手段と、観察者の頭及び両眼の位置及び左右の移動を検出するための観察者検出手段と、ＬＣＤの背面に設置したフレネルレンズに対し左眼用画像の表示期間に左眼用光源を照射し右眼用画像の表示期間に右眼用光源を照射すると共に観察者の頭及び両眼が左右に移動した場合にその移動方向及び移動量に追随して前記左眼用光源と右眼用光源の照射方向を変更するための光源照射方向変更手段と、前記画像表示手段と観察者検出手段と光源照射方向変更手段の電気機械動作の同期制御を行うための制御装置等により構成し、
   画像表示手段が、左眼用画像と右眼用画像を交互に表示するためのＬＣＤ（３）と、該ＬＣＤ（３）の背面より左眼用光源と右眼用光源の各光源を集光して照射するためのフレネルレンズ（５）と、該ＬＣＤ（３）に左眼用画像データと右眼用画像データを交互に出力するための画像データ出力装置（４）にて構成し、
   光源照射方向変更手段が、左眼用画像の表示期間に左眼用光源を照射し右眼用画像の表示期間に右眼用光源を照射すると共に観察者（１１）の頭及び両眼が左右に移動した場合にその移動方向及び移動量に追随して前記左眼用光源と右眼用光源の照射方向を追随変更するため、光源装置（６）から照射される光源を集光するためのレンズ（７）と、該レンズ（７）の焦点距離位置で前記光源を反射させるためのガルバノミラー（８）と、該ガルバノミラー（８）を左眼用光源照射用と右眼用光源照射用の２つの固定角及び観察者（１１）の頭及び両眼が左右に移動した場合の移動方向及び移動量に追随して回動させるための回動装置（９）と、前記ガルバノミラー（８）で反射した光源をフレネルレンズ（５）に照射させるための拡散板（１０）をガルバノミラー（８）の近傍前部においてフレネルレンズ（５）と平行に設置して構成した ことにより構造が簡単で機構部品の劣化も少なく、更には観察者が斜め方向から観察したり頭及び両眼が左右に移動した場合でも鮮明な立体映像を観察することができることを特徴とする、三次元ディスプレイシステム。
2. 制御装置（１）が、ＣＣＤカメラ（２）で撮影した観察者（１１）の頭及び両眼画像を入力し、正面での基準画像と比較して左右の移動方向及び移動量を検出するための画像処理部（１３）と、左眼用光源照射用と右眼用光源照射用の２つの固定角及び前記左右の移動方向及び移動量に追随してガルバノミラー（８）を回動させる回動装置（９）の同期制御を行うための回動制御部（１５）と、前記画像処理部（１３）と回動制御部（１５）及び当該制御装置（１）自体の制御を行うための回路制御部（１４）等により構成することを特徴とする、請求項１に記載の三次元ディスプレイシステム。

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