JP2008107583A - ３次元画像表示装置及びその表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】共有のレンズを用いる３次元画像表示装置に小型化することができる技術を提供すること。
【解決手段】３次元画像表示装置１０は、水平方向に配列されたプロジェクタｅ１〜ｅｎと、表示部となるスクリーン１４と、これらの間に配置され、各プロジェクタｅ１〜ｅｎからの各画像光２２−１〜２２−ｎをスクリーン１４に導く共有レンズ１９とを備えている。共有レンズ１９の焦点距離ｆ２は、投影面１７からスクリーン１４までの距離より長く設計されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、画像の発生源が複数ある多眼式の３次元画像表示装置及びその表示方法に関する。

３次元画像を生成する装置として、複数の画像発生源から、個々に視差のある画像を投射させる装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。人間は、当該拡散板から出射される画像を水平方向に並んだ左右の目で観察するため、水平方向で視差が発生する。したがって、上記特許文献１の装置では、水平方向で表示方向の異なる、つまり、視差のある画像が、水平方向の各画像発生源から発生する。このような視差のある複数の画像が合成されることにより、３次元画像が表示される。

この特許文献１の装置は、複数の画像発生源からの投射光をそれぞれ平行光とするアフォーカル光学系を用いている。２次元的に配置された複数の画像発生源ごとに配置されたマイクロレンズアレイと、例えば１枚の共有レンズとでアフォーカル光学系が構成される。アフォーカル光学系が用いられることにより、複数の画像発生源からの各投射光の光束が、スクリーンとなる拡散板（垂直方向拡散板）上で同一位置に投影される。一般的に、このような多眼式では、スクリーン上で各画像が重なる範囲で３次元画像が表示可能である。したがって、特許文献１では、アフォーカル光学系により、画像発生源から拡散板までの投射距離をできるだけ短くして、拡散板上で画像が重なる範囲をできるだけ大きくすることができる。

特許第３５７６５２１号公報（段落[００４７]、図３（ｂ））

しかしながら、特許文献１の装置では、少なくとも共有レンズの焦点距離以上の上記投射距離が必要となる。表示装置の小型化には、さらに工夫が必要である。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、上記のように共有のレンズを用いる３次元画像表示装置に小型化することができる技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元画像表示装置は、投影面と、視差のある複数の画像を前記投影面からそれぞれ投影する複数の投影素子とを有する投影部と、前記複数の投影素子から投射された前記複数の画像が入射されて３次元画像を表示する表示部と、前記投影面と前記表示部との間に配置され、前記投影面から前記表示部までの距離より長い焦点距離を有し、前記各投影素子からそれぞれ投影された前記各画像の光を前記表示部に導く共有レンズとを具備する。

本発明では、共有レンズの焦点距離が、投影面から表示部までの距離より長いので、結果的に投影面と表示部との距離を短くすることができる。したがって、３次元画像表示装置の小型化が実現される。

本発明において、共有レンズがフレネルレンズである場合に、特に有利になる。焦点距離が短いフレネルレンズの場合、当該フレネルレンズの周辺部の収差が大きくなり、また周辺部の輝度が低下する。しかし、本発明の場合、特許文献１のように、共有レンズの焦点距離を投影部から表示部までの距離に合わせなくてもよいので、当該収差を低減し、輝度を高くすることができる。すなわち、特許文献１の装置に比べ、画質を低下させずに小型化を図ることができる。さらに、フレネルレンズはレンズ厚が薄いので、３次元画像表示装置の薄型化に寄与する。

本発明に係る３次元画像表示方法は、視差のある複数の画像を投影面から投影し、前記投影面と表示部との間に配置され、前記投影面から前記表示部までの距離より長い焦点距離を有する共有レンズにより、前記投影面から投影された前記複数の画像の光を前記表示部に導き、前記共有レンズからの出射光を前記表示部で受けて３次元画像を表示する。

以上のように、本発明によれば、共有レンズを用いる３次元画像表示装置に小型化することができる。また、３次元画像の輝度の均一性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

本実施の形態に係る３次元画像表示装置を説明する前に、まず、３次元画像表示の原理について説明する。

図１は、２次元画像と３次元画像の違いを説明するための図である。図１（Ａ）に示すように、一般的な２次元ディスプレイの表示面は、どの方向にも同じ光線強度を発する拡散面を有する。これに対し、図１（Ｂ）に示すように、３次元ディスプレイの表示面３は、方向により異なる光線強度を発する機能を有する。これにより、観察者１１が異なる方向から３次元ディスプレイを見た場合、左右の眼で異なる画像を見ることができ、そのとき発生する視差により３次元画像を見ることができる。

３次元画像を実現するための方式の１つとして、多眼式がある。図２は、その原理を説明するための図である。例えば、投影素子としてプロジェクタ４が、例えば水平方向（Ｘ方向）に１列に複数配置され、これらのプロジェクタ４から投影された画像がスクリーン５に映し出される。各プロジェクタ４からは、視差のある画像がそれぞれ投影される。視差の複数の画像を得る方法としては、複数のカメラが用意され、当該各カメラでそれぞれ撮像された画像でよい。

スクリーン５は、水平方向（Ｘ方向）より垂直方向（Ｚ方向）の方が強い拡散力を持つスクリーンが用いられる。この場合、水平方向の拡散角（例えば１つのプロジェクタ４からの画像光の光束の発散角）は、例えば１度程度の微小角度であり、垂直方向の拡散角は数十度である。このようなスクリーン５としては、例えばレンチキュラーシート、ホログラムシート等が用いられる。

しかし、このようなスクリーン５に限られず、例えばプロジェクタ４が、２次元的に、つまり水平方向及び垂直方向に複数配置される場合、水平及び垂直方向の拡散角はほぼ同じであってもよい。この場合、２次元的に配置された複数のプロジェクタ４は、水平方向にも、または、垂直方向にも視差のある画像を投影する。

ちなみに、図２のようにプロジェクタ４が２次元的に多数配列されることで、いわゆる光線再生法による３次元画像を実現することができる。光線再生法を利用する場合、スクリーン５は必ずしも必要ない。光線再生法は、複数のカメラによって撮像された視差のある複数の画像が画像処理され、それらの画像が合成されることで１つの３次元画像が生成される。その画像処理は、例えば当該視差の角度やそれに伴う屈折率等に基づいて行われる。

図３は、図２に示した多眼式を応用した画像表示装置の構成を示す模式図であり、画像表示装置の真上から見た図である。画像表示装置１００は、水平方向に１列に並べられた複数のプロジェクタ（ｎ個のプロジェクタ）ｅ１、・・・ｅｃ、・・・ｅｎと、各プロジェクタｅ１〜ｅｎから投影される画像が映し出されるスクリーン１４とを備えている。図３では、説明を分かりやすくするため、多数あるプロジェクタｅ１〜ｅｎのうち、両端のｅ１及びｅｎの２つのプロジェクタと、中央辺りの１つのプロジェクタｅｃを代表して描いている。また、この例では、水平方向（Ｘ方向）に１列にプロジェクタｅ１〜ｅｎが配列され、スクリーン１４は上記したように、垂直方向（Ｚ方向）の拡散が強く、水平方向の拡散が弱いスクリーンが用いられている。

プロジェクタｅ１〜ｅｎは、例えば液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）等の光変調素子１５と、この光変調素子１５で表示された画像を拡大投影するレンズ系１６とをそれぞれ有する。また、プロジェクタｅ１〜ｅｎは、図示しない光源をそれぞれ有している。これらのプロジェクタｅ１、ｅｃ、ｅｎから出射された各画像光２２−１、２２−ｃ、２２−ｎがそれぞれ反転する位置が並んだ面を投影面１７とする。投影面１７からスクリーン１４までの距離をｄとしている。なお、図３において、プロジェクタｅ１〜ｅｎの光変調素子１５とレンズ系１６とが、水平方向（Ｘ方向）にずれて、すなわちオフセットされて配置されている。これは、各プロジェクタｅ１〜ｅｎから出射した画像光２２−１〜２２−ｎが、スクリーン１４上においてできるだけ大画面で重なるようにするためである。

図３の装置１００では、観察者１１の１つの瞳にプロジェクタｅ１、ｅｃ、ｅｎからの各画像が数画素分としてそれぞれ一定の幅ｗ０を持って観察される。３つのプロジェクタｅ１、ｅｃ、ｅｎからの光は、スクリーン１４によってＸ方向では微小な角度で拡散されるとともにＺ方向では強く拡散される。したがって、横幅ｗ０でピッチｐ０の３つの縦長の断片画像としてとして観察される。実際のプロジェクタｅ１、ｅｃ、ｅｎの数をｎとすると、ｎ本の縦長断片映像が隙間なく並んでいるため、実際は１つの画像として認識される。瞳から見えるこの１つの画像の幅はｕ０である。この幅ｕ０は、観察距離ｋが大きくなれば広くなる。しかし、無限大にならない限りスクリーン幅ｓよりは必ず小さく、実質的にスクリーン１４の全画面に渡る３次元画像は観察できない。すなわち、スクリーン１４のサイズに対してほぼ同じ幅（Ｘ方向の幅）で複数のプロジェクタｅ１〜ｅｎが配置された場合、観察者はスクリーンの中央付近での一部にしか３次元画像を見ることができない。

そこで、このような問題を解決するために、図４に示すように、スクリーン１４と各プロジェクタｅ１〜ｅｎとの間であって、スクリーン１４のすぐ背面側に１枚の共有レンズ１８が配置される画像表示装置２００がある。これは、原理的には上記特許文献１に示した装置の構造に近い。この共有レンズ１８の焦点距離ｆ１（観察者側）は、投影面１７からスクリーン１４までの距離ｄに一致しており、レンズ系１６及び共有レンズ１８でアフォーカル光学系が構成される。すなわち、投影面１７からの平行光の画像光２２−１、２２−ｃ、２２−ｎの群がスクリーン１４に映し出されることになる。したがって、観察者１１は、投影面１７と実質的に同一幅ｕ１で３次元画像を見ることができる。なお、図４において、破線で示す光線２３は、共有レンズ１８の焦点距離ｆ１を表現するための光線である。図４において、観察者１１の瞳から見える画像全体の幅ｕ１は、観察距離ｋがｄ（＝ｆ１）よりも大きい場合にスクリーン幅ｓと一致する。

図５は、本発明の一実施の形態に係る３次元画像表示装置の構成を示す模式図である。この３次元画像表示装置１０は、水平方向に配列されたプロジェクタｅ１〜ｅｎと、表示部となるスクリーン１４と、これらの間に配置され、各プロジェクタｅ１〜ｅｎからの各画像光２２−１〜２２−ｎをスクリーン１４に導く共有レンズ１９とを備えている。図５では、図３及び図４と同様に、光変調素子１５とレンズ系１６とがオフセットされて構成されるプロジェクタを示した。しかし、これらの位置がオフセットされていないプロジェクタが用いられてもよい。

本実施の形態に係る３次元画像表示装置１０と図４の装置２００との違いは、投影面１７からスクリーン１４までの距離より長い焦点距離ｆ２（破線で示す光線２３を参照）を持つ共有レンズ１９が用いられている点にある。すなわち、投影面１７とスクリーン１４との距離ｄを短くすることができ、３次元画像表示装置１０の薄型化または小型化が図れる。共有レンズ１９は、集光のための屈折力を有しているレンズであれば何でもよい。

プロジェクタｅ１〜ｅｎからの各画像光２２−１〜２２−ｎは、共有レンズ１９を通った後は、観察者１１の瞳に幅ｗ２で届く。図４に示す共有レンズ１８と共有レンズ１９とが同じレンズである場合、上記したｄ<ｆ２の関係から、図５に示す各画像光２２−１、２２−ｎの共有レンズ１９への入射角が、図４に示す場合のそれより大きくなるので、ｗ２はｗ１より大きくなる。観察者１１の瞳から見える画像全体の幅ｕ２は、観察距離ｋがdよりも大きい場合にスクリーン幅ｓと一致する。例えばｄは、例えばｆ２の２〜３倍程度に設定することができるが、もちろんこの範囲に限られない。なお、

図６は、本発明の他の実施の形態に係る３次元画像表示装置の構成を示す模式図である。本実施の形態に係る３次元画像表示装置２０では、上記共有レンズとしてフレネルレンズ２９が用いられている。この例においても、フレネルレンズ２９の焦点距離ｆ３は、投影面からスクリーンまでの距離ｄより長く設定されている。一般的に、焦点距離が短いフレネルレンズの場合、当該フレネルレンズ２９の周辺部の収差が大きくなり、また周辺部の輝度が低下する。しかし、本実施の形態の場合、フレネルレンズ２９の焦点距離ｆ３を投影面１７からスクリーン１４までの距離に合わせて短くしなくてもよいので、当該収差を低減し、輝度を高くすることができる。すなわち、特許文献１の装置に比べ、画質を低下させずに小型化を図ることができる。さらに、フレネルレンズ２９はレンズ厚が薄いので、３次元画像表示装置２０の薄型化に寄与する。

２次元画像と３次元画像の違いを説明するための図である。 ３次元画像を実現するための方式の１つとして多眼式の原理を説明するための図である。 図２に示した多眼式を応用した画像表示装置の構成を示す模式図である。 スクリーンの背面側に１枚の共有レンズが配置される画像表示装置の例を示す模式図である。 本発明の一実施の形態に係る３次元画像表示装置の構成を示す模式図である。 本発明の他の実施の形態に係る３次元画像表示装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

ｅ１、ｅｃ、ｅｎ…プロジェクタ
ｆ１、ｆ２、ｆ３…焦点距離
４…プロジェクタ
５…スクリーン
１０、２０…３次元画像表示装置
５、１４…スクリーン
１５…光変調素子
１６…レンズ系
１７…投影面
１８、１９…共有レンズ（２９…フレネルレンズ）

Claims (3)

1. 投影面と、視差のある複数の画像を前記投影面からそれぞれ投影する複数の投影素子とを有する投影部と、
   前記複数の投影素子から投射された前記複数の画像が入射されて３次元画像を表示する表示部と、
   前記投影面と前記表示部との間に配置され、前記投影面から前記表示部までの距離より長い焦点距離を有し、前記各投影素子からそれぞれ投影された前記各画像の光を前記表示部に導く共有レンズと
   を具備することを特徴とする３次元画像表示装置。
2. 請求項１に記載の３次元画像表示装置であって、
   前記共有レンズはフレネルレンズであることを特徴とする３次元画像表示装置。
3. 視差のある複数の画像を投影面から投影し、
   前記投影面と表示部との間に配置され、前記投影面から前記表示部までの距離より長い焦点距離を有する共有レンズにより、前記投影面から投影された前記複数の画像の光を前記表示部に導き、
   前記共有レンズからの出射光を前記表示部で受けて３次元画像を表示する
   ことを特徴とする３次元画像表示方法。

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