JP2009169143A - 投影型三次元画像再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レンチキュラレンズアレイ又はフライアイレンズアレイ又はホログラム光学素子を用いて立体像を再現する場合に、隣接レンズ間又は隣接ホログラム光学素子間のクロストークを防止して、三次元画像のシフトを無くし、安定した三次元の画像表示を可能にする投影型三次元画像再生装置を得ることを目的とする。
【解決手段】再生させようとする視差情報を含んだ画像の光線が目的のレンズ又は目的のホログラム光学素子のみを通過できるように、１以上の投影装置からレンズアレイ又はホログラム光学素子の焦点面上に、視差情報を含んだ複数の画像をそれに与えた偏光特性が相互間で異なるように投影して配置し、各レンズの射出側面又は各光学素子の表面に、前記偏光特性が隣接レンズ間又は隣接光学素子間で異なり一つ置きのレンズ間又は一つ置きの光学素子間で同じとなる偏光板を配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンチキュラレンズアレイやフライアイレンズアレイ、又はホログラム光学素子を用いて立体像を再現する投影型三次元画像再生装置に関するものである。

三次元画像情報を表示する方式としては、古くから、両眼視差を含んだステレオ画像の右側画像を右眼で見て、左側画像を左眼で見る裸眼立体視平行法や、液晶シャッタ付きのメガネを用いて、或いは右眼と左眼それぞれで違うレンズを用いて見るステレオスコープ方式、更には赤青メガネを用いて赤と青の色違いの両眼視差絵を見るアナグリフ方式などが知られている。しかし、これらの方式で三次元画像を見る場合は、特殊な訓練や特殊なメガネが必要である。

近年、液晶技術の発展により、メガネ無しで三次元表示が可能な液晶表示装置が次々と発表されている。そのほとんどは、イメージスプリッター方式のメガネ無し三次元液晶表示装置である。具体的には、このメガネ無し三次元液晶表示装置は、液晶表示パネルへの画像光路を、パララックスバリアやレンチキュラレンズアレイを用いて液晶パネルの水平方向に隣り合う画素を観察者の左右の眼に周期的に振り分けることで、立体感を生じさせるようにした三次元画像表示装置である。

このように、このメガネ無し三次元液晶表示装置は、水平視差のみを有する三次元画像表示装置であり、観察者の右眼位置及び左眼位置に供給される画像が、パララックスバリアやレンチキュラレンズアレイによって水平方向の視差を含んでいるので、観察者の右眼位置及び左眼位置が水平向からずれると立体感が破綻してしまうという問題を原理的に内包している。

そのため、液晶表示パネルとパララックスバリアやレンチキュラレンズアレイとを組み合わせた三次元画像表示装置では、長時間、三次元動画像の立体感を保ったまま立体視を行おうとすると、空間の定位置に、右眼位置及び左眼位置を固定する必要がある。

右眼位置及び左眼位置の水平方向からのズレに対しては、観察者の眼の位置や顔の位置をセンサーによって特定し、その位置のズレに合わせて、画像光路を制御修正する方法も考案されている。しかし、この方法では装置が大掛かりとなり、眼の位置や顔の位置をセンシングするために、マーカーを観察者に付けなければならないという煩わしさが生じる。

観察者の眼の位置を問題にしないで画像の三次元表示を可能にする方法として、Ｍ．Ｇ．Ｌｉｐｐｍａｎｎによって１９０８年に提案されたインテグラルフォトグラフィ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ）方式を発展させ、フィルムの代わりに、液晶表示パネルなどの二次元表示パネルを用い、それと、ピンホールやフライアイレンズアレイ（ハエの目状凸レンズアレイ）とを組み合わせた三次元の表示方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

なお、上記のＭ．Ｇ．Ｌｉｐｐｍａｎｎによって提案されたインテグラルフォトグラフィ方式は、フライアイレンズアレイを用いて、そのフライアイレンズアレイの焦点位置にフィルムを置き、そのフィルムにフライアイレンズアレイの凸レンズ（ハエの目レンズ）毎の画像を記録し、再生時には、フィルムに記録させたフライアイレンズアレイの凸レンズ毎の画像を、撮影時と同じフライアイレンズアレイを逆向きに通すことで、立体画像を再生するというものである。
特開２００１−２７５１３４号公報

ところで、裸眼立体視を行うために必要な光学的な構造には、イメージスプリッター方式と、レンチキュラ方式と、インテグラルフォトグラフィ方式とがある。

イメージスプリッター方式では、左眼画像及び右眼画像を右眼位置及び左眼位置に表示するために、光学的なスリットを設け、左眼には右眼画像が見えないように、右眼には左眼画像が見えないようにしている。また、レンチキュラ方式では、レンチキュラレンズアレイの各凸レンズ（かまぼこ状円筒レンズ）によって、右眼画像と左眼画像とを短冊状に配置し、結像式（１／ｆ＝１／ａ＋１／ｂ）に則って、画像位置を設定するようにしている。そして、インテグラルフォトグラフィ方式では、レンチキュラレンズアレイや、フライアイレンズアレイ、ピンホールの下に複数の視差を含む画像を配置し、視差方向にその画像が平行に投影されるようにレンダリングした２Ｄ画像を設定するようにしている。

しかし、従来の裸眼立体視を行うために必要な光学的な構造の構成方式では、観察者の眼を観察領域で横に移動させると、視差画像を観察することはできるが、ある領域以上になると、隣のレンズ域の視差画像を表示してしまい、レンズ間のクロストークが発生するという問題がある。

レンズ間のクロストークが起こると、本来、隣のレンズやスリットで表示されるべき画像が表示されるために、画像が歪んだり、シフトしたりする。このため、立体表示の品質に大きな影響を与える。

これに対する方策として、短焦点距離のレンズを使用して、幾何学的に隣のレンズの表示データを結像し難くして、クロストークを低減する試みがなされている。しかし、単純な構造の光学系で短焦点距離を実現するためには、レンズの曲率半径を小さくすることが有効であるが、曲率半径の小さなレンズアレイを効率的に作ることは非常に困難である。

また、遮蔽マスクを用いて、レンズの一つ一つを光学的に絶縁する試みもなされているが、三次元再生画像が暗くなり、遮蔽マスクの輪郭効果によって三次元再生が阻害されるという問題がある。以上のことはホログラム光学素子を用いて立体像を再現する場合も同様である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、レンチキュラレンズアレイやフライアイレンズアレイ、又はホログラム光学素子を用いて立体像を再現する場合に、隣接レンズ間又は隣接ホログラム光学素子間のクロストークを防止して、三次元画像のシフトを無くし、安定した三次元の画像表示を可能にする投影型三次元画像再生装置を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明は、レンチキュラレンズアレイ又はフライアイレンズアレイ又はホログラム光学素子を用いて立体像を再現する三次元画像再生装置において、隣接レンズ間又は隣接ホログラム光学素子間のクロストークを防止する手段として、再生させようとする視差情報を含んだ画像の光線が目的のレンズ又は目的にホログラム光学素子のみを通過できるように、１以上の投影装置から前記レンズアレイ又は前記全ホログラム光学素子の焦点面上に、短冊状に分離した視差情報を含んだ複数の画像をそれに与えた偏光特性が相互間で異なるように投影して配置し、各レンズの射出側面又は各ホログラム光学素子の表面に、前記偏光特性が隣接レンズ間又は隣接ホログラム光学素子間で異なり一つ置きのレンズ間又は一つ置きのホログラム光学素子間で同じとなる偏光板を配置したことを特徴とする。

本発明によれば、レンズ間又はホログラム光学素子間のクロストークを防止することができる。これによって、隣のレンズ又は隣のホログラム光学素子には、本来表示されるべきでない画像が表示されなくなる。その結果、画像が歪んだり、シフトしたりする現象が無くなる。したがって、立体表示が安定し、三次元画像表示の画質が向上し、立体感を増すことが可能な三次元画像再生装置を実現することができるという効果を奏する。

本発明では、インテグラルフォトグラフィ方式、レンチキュラ方式、パララックスバリア方式、超多眼方式など、視差情報を含む二次元画像情報と、レンチキュラレンズアレイと、液晶などの短冊状バリアと、ハエの目レンズ又はホログラム光学素子とを組み合わせて裸眼三次元表示を可能とする表示方式に適用することができる。以下に図面を参照して、本発明にかかる投影型三次元画像再生装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、レンズアレイを用いる場合を示すが、ホログラム光学素子を用いる場合も同様である。

図１は、本発明の一実施の形態による投影型三次元画像再生装置の要部である光学系の系統構成を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態では、２台の横偏光用及び縦偏光用プロジェクター１，３を使用して、視差情報を含む二次元画像を表示する例を示す。なお、プロジェクターの数は、２台に限定されず、２台以上複数台使用することも可能である。また、一台のプロジェクターを使用することもでき、この場合は偏光スイッチの付いた偏光フィルターを用いて偏光条件を変化させる仕組を付加し、投影する画像の偏光状態を制御できるようにするとよい。

図１において、右側の横偏光用プロジェクター１には、横偏光フィルター２を付加し、左側の縦偏光用プロジェクター３には、縦偏光フィルター４を付ける。これによって、それぞれのプロジェクターからの投影画像は、レンズアレイ５の焦点距離位置に配置されたスクリーン６に、視差情報を含む二次元画像を結像する。したがって、スクリーン６に結像した画像には横偏光によって構成された画像８と縦偏光によって構成された画像９が含まれている。

なお、レンズアレイ５の焦点距離位置にスクリーン６を配置するために、レンズ５とスクリーン６の間に、スペーサー７を配置することもできる。

スクリーン６に結像した横偏光によって構成された画像８と縦偏光によって構成された画像９とが含まれている画像は、スペーサー７及びレンズアレイ５を透過して三次元画像を再現することができるが、本実施の形態では、横偏光によって構成された画像８と縦偏光によって構成された画像９とを投影しようとするレンズアレイからクロストーク無しに投影させるために、レンズアレイ５のレンズ面一つ置きに横偏光フィルター１０と縦偏光フィルター１１を設置した。

ここで、レンズアレイ５としては、本実施の形態では、レンチキュラレンズアレイを用いる場合を示すが、フライアイレンズアレイ（ハエの目レンズアレイ）も用いることができる。

レンズアレイ５の材質としては、一般のプラスチックレンズに使われるポリメタクリル酸メチル所謂アクリル樹脂、ＰＥＴ所謂ポリエチレンテレフタレート、エピスルフィド樹脂などを用いることができる。

スペーサー７の材質もレンズアレイ５と同様にアクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、エピスルフィド樹脂などを用いることができる。

視差情報を含む二次元画像を結像するためのスクリーン６としては、体積ホログラムによって形成したホログラムスクリーンや半透明の散乱スクリーンを用いることもできる。また、半透明ガラスを用いることもできる。また、液晶などで構成されているスクリーンを用いることも可能である。

以下、図２〜図５を参照して、動作について説明する。まず、図２を参照して、（特許文献１）に開示されるインテグラルフォトグラフィ方式について説明する。なお、図２は、インテグラルフォトグラフィ方式の原理を説明する図である。

まず、Ｍ．Ｇ．Ｌｉｐｐｍａｎｎによって１９０８年に提案されたインテグラルフォトグラフィ方式について説明する。

図２において、Ｍ．Ｇ．Ｌｉｐｐｍａｎｎによって１９０８年に提案されたインテグラルフォトグラフィ方式では、フライアイレンズアレイ１４を用いる。フライアイレンズアレイ１４は、ハエの複眼のように、多数の小さな凸レンズ（ハエの目レンズ）１５をシート基板上に配置したものである。

このフライアイレンズアレイ１４の平面側に形成される焦点位置に、図示しないフィルムを配置し、フライアイレンズアレイ１４のレンズ面側から被写体光を露光することで、そのフィルムに凸レンズ１５毎の小さな被写体像（図示例では再生画素画像１２）を記録する。

そして、現像したフィルムを、再び、フライアイレンズアレイ１４の焦点位置に配置して背面から光を照射し、フライアイレンズアレイ１４を通して観察することで、フィルムに記録した凸レンズ１５毎の小さな被写体像から立体画像（図示例では三次元再生画像１９）を再生するという方式である。

つまり、（特許文献１）に開示されるインテグラルフォトグラフィ方式は、図２に示すように、フライアイレンズアレイ１４の平面側に形成される焦点位置に、上記したフィルムに代えて表示素子１３を配置し、この表示素子１３に、凸レンズ１５毎に対応させた再生要素画像１２を表示させ、それをフライアイレンズアレイ１４のレンズ側から観察する。そうすると、表示素子１３に表示させた再生要素画像１２の光路は、各凸レンズ１５を介して元の画像表面の画素位置に対応する結像点１６に集合し、そこから光線１７のように発散する経路を取り、観察者の瞳１８に入射するので、立体感のある三次元再生画像１９が再生される。

この場合、結像点１６は、空間に浮かんだ状態で存在するので、観察者は、見る角度を変えても、眼の位置を変えても、立体感のある三次元再生画像１９を安定して見ることができる。

一般に、視差情報を含む二次元画像の構成は、ステレオ画像方式であれば、右眼位置から右眼画像が見え、左眼画像から左眼画像が見えるように、空間的に画像光路を分離供給して、立体感を生じさせるために右眼画像と左眼画像を、それぞれ、スリットの列数又はレンチキュラレンズアレイの列数に短冊状に分断し、その短冊状に分断した右眼画像と左眼画像を互い違いに再配列したものを右眼画像と左眼画像を一組にして一つのスリット又はレンチキュラレンズに割り当てることにより立体画像を再現することができる。

また、超多眼方式やインテグラルフォトグラフィ方式では、視差数の数だけの画像をスリットの列数又はレンチキュラレンズアレイの列数に短冊状に分断し、その短冊状に分断した視差画像をその視差方向の順に再配列して、視差数分を一組にして一つのスリット又はレンチキュラレンズに割り当てることにより立体画像を再現することができる。

三次元画像情報は、観察者の眼に入射して複数の水平垂直視差を含んだ三次元立体画像となる。通常、一つのスリット又は一つのレンチキュラレンズに割り当てる視差情報を含む二次元画像は、目的のスリット又は目的のレンチキュラレンズに割り当てられている。正面から見ている場合には、スリット又はレンチキュラレンズに入射する視差情報を含む二次元画像が観察者の眼に入ってくる。

図３は、レンチキュラレンズアレイにおいて隣のレンズからのクロストークを説明する図であるが、図３に示すように、レンチキュラレンズアレイ５の観察角度を低府角にすると、目的のレンチキュラレンズ５ａに、隣のレンチキュラレンズ５ｂ，５ｃの焦点面付近にある視差情報を含む二次元画像が入射し、それが目的のレンチキュラレンズ５ａから観察者の眼に入ってくるためにクロストークが生じ、画像が歪んだり、シフトしたりする。

このようなクロストークを防止するためには、隣のレンチキュラレンズ５ｂ，５ｃに入射すべき視差情報を含む縦偏光及び横偏光によって構成された画像８，９が目的のレンチキュラレンズ５ａに入って来ないようにする工夫が必要である。

しかし、観察角度を低府角にした時に、観察者の眼に入って来ないで、画像情報を目的のレンチキュラレンズから投影するには、物理的に低府角の視差画像をクロストーク無しに投影しなければならないという一見矛盾する事象を満足させなければならない。

この問題に対して、投影画像を用いたインテグラルフォトグラフィ方式の表示を採用する本実施の形態では、まず、図４で示すように、投影画像を短冊状に編集してそれぞれの絵がスクリーン上で一つの互い違いの絵となるように構成する。

図４は、図１に示す２台のプロジェクターによる異なる偏光画像を合成して投影する画像構成を説明する図である。図４において、縦偏光フィルター４を通した縦偏光用プロジェクター３の投影画像は、スクリーン６上に縦偏光によって構成された画像９として投影される。横偏光フィルター２を通した横偏光用プロジェクター１の投影画像は、スクリーン６上に縦偏光によって構成された画像９として投影される。スクリーン６上では、それぞれの画像が重なり合った時に一枚のスクリーンで合成される視差情報を含む二次元画像２０となる。このスクリーンで合成される視差情報を含む二次元画像２０が、レンチキュラレンズアレイ５のレンチキュラレンズ毎に短冊状に形成される。なお、偏光フィルターは、右円偏光板及び左円偏光板でも同様の効果が得られる。

この場合、スクリーンで合成される視差情報を含む二次元画像２０が、レンチキュラレンズのそれぞれから射出されると、クロストークの問題解消にならないので、本実施の形態では、レンチキュラレンズアレイ５の射出面にも偏光フィルターを設けてあり、図５に示す方法で、クロストークの問題を解消するようにしている。

図５は、図１に示した投影型三次元画像再生装置において目的のレンチキュラレンズにクロストーク無しの画像を表示させる原理的な動作を説明する図である。

図５において、互い違いに異なる偏光となるように配置された画素に割り当てる絵を、絵Ａと絵Ｂとすれば、レンチキュラレンズアレイ５における隣接する絵Ａ及び絵Ｂが割り当てられたレンズ２３，２４に対して、絵Ａが割り当てられたレンズ２３には絵Ａを対応させ、絵Ｂが割り当てられたレンズ２４には絵Ｂを対応させる。そして、絵Ａが割り当てられたレンズ２３の射出端には、縦偏光フィルター１１を貼り、絵Ｂが割り当てられたレンズ２４の射出端には、横偏光フィルター１０を貼り付けてある。

ここで、絵Ａ及び絵Ｂが割り当てられたレンズ２３，２４の各入射端には、スクリーン６にて縦偏光画像と横偏光画像とが合成された図４に示したスクリーンで合成される視差情報を含む二次元画像２０が入射する。この場合、絵Ａが割り当てられたレンズ２３の射出端には、縦偏光フィルター１１を貼り付けてあるので、入射するスクリーンで合成される視差情報を含む二次元画像２０中の横偏光画像は、絵Ａが割り当てられたレンズ２３の射出端を透過することができず、絵Ａが割り当てられたレンズ２３の射出端で観察できる絵Ａの画素画像２５は、縦偏光画像のみとなる。

また、同様に、絵Ｂが割り当てられたレンズ２４の射出端には、横偏光フィルター１０を貼り付けてあるので、入射するスクリーンで合成される視差情報を含む二次元画像２０中の縦偏光画像は、絵Ｂが割り当てられたレンズ２４の射出端を透過することができず、絵Ｂが割り当てられたレンズ２４の射出端で観察できる絵Ｂの画素画像２６は、横偏光画像のみとなる。

このように、観察領域を低俯角にしても、隣接する絵Ａ及び絵Ｂが割り当てられたレンズ２３，２４間のクロストークを防止することができる。これによって、隣のレンチキュラレンズレンズには、本来表示されるべきでない画像が表示されなくなる。その結果、画像が歪んだり、シフトしたりする現象が無くなる。

以上のように、本実施の形態によれば、レンズ間のクロストークを防止することができるので、立体表示が安定し、三次元画像表示の画質が向上し、立体感を増すことが可能な投影型三次元画像再生装置を実現することができる。

以上のように、本発明にかかる投影型三次元画像再生装置は、レンチキュラレンズアレイやフライアイレンズアレイ、又はホログラム光学素子を用いて立体像を再現する場合に、隣接レンズ間又は隣接ホログラム光学素子間のクロストークを防止して、三次元画像のシフトを無くし、安定した三次元の画像表示を実現するのに有用であり、特に、映像技術分野、アミューズメント分野、エンターテイメント分野、インターネット分野、情報分野、マルチメディア分野、コミュニケーション分野、広告・宣伝分野、医療分野、芸術分野、教育分野、設計支援分野、シミュレーション分野、バーチャルリアリティ分野、などで使用するのに適している。

本発明の一実施の形態による投影型三次元画像再生装置の要部である光学系の系統構成を示す図 インテグラルフォトグラフィ方式の原理を説明する図 レンチキュラレンズアレイにおいて隣のレンズからのクロストークを説明する図 図１に示す２台のプロジェクターによる異なる偏光画像を合成して投影する画像構成を説明する図 図１に示した投影型三次元画像再生装置において目的のレンチキュラレンズにクロストーク無しの画像を表示させる原理的な動作を説明する図

符号の説明

１ 横偏光用プロジェクター
２ 横偏光フィルター
３ 縦偏光用プロジェクター
４ 縦偏光フィルター
５ レンズアレイ（レンチキュラレンズアレイ）
５ａ 目的のレンチキュラレンズ
５ｂ，５ｃ 隣のレンチキュラレンズ
６ スクリーン
７ スペーサー
８ 横偏光によって構成された画像
９ 縦偏光によって構成された画像
１０ 横偏光フィルター
１１ 縦偏光フィルター
１２ 再生要素画像
１３ 表示素子
１４ フライアイレンズアレイ（ハエの目状凸レンズアレイ）
１５ 凸レンズ
１６ 結像点
１７ 結像点からの光線
１８ 観察者の瞳
１９ 再生画像
２０ スクリーンで合成される視差情報を含む二次元画像
２３ 絵Ａが割り当てられたレンズ
２４ 絵Ｂが割り当てられたレンズ
２５ 絵Ａの画素画像
２６ 絵Ｂの画素画像

Claims (5)

1. レンチキュラレンズアレイ又はフライアイレンズアレイ又はホログラム光学素子を用いて立体像を再現する三次元画像再生装置において、隣接レンズ間又は隣接ホログラム光学素子間のクロストークを防止する手段として、再生させようとする視差情報を含んだ画像の光線が目的のレンズ又は目的のホログラム光学素子のみを通過できるように、１以上の投影装置から前記レンズアレイ又は前記全ホログラム光学素子の焦点面上に、短冊状に分離した視差情報を含んだ複数の画像をそれに与えた偏光特性が相互間で異なるように投影して配置し、各レンズの射出側面又は各ホログラム光学素子の表面に、前記偏光特性が隣接レンズ間又は隣接ホログラム光学素子間で異なり一つ置きのレンズ間又は一つ置きのホログラム光学素子間で同じとなる偏光板を配置したことを特徴とする投影型三次元画像再生装置。
2. 前記互いに異なる偏光特性は、垂直偏光及び水平偏光であることを特徴とする請求項１に記載の投影型三次元画像再生装置。
3. 前記互いに異なる偏光特性は、右円偏光及び左円偏光であることを特徴とする請求項１に記載の投影型三次元画像再生装置。
4. 前記１以上の投影装置は、偏光フィルターを用いて投影する画像の偏光状態を制御することを特徴とする請求項１に記載の投影型三次元画像再生装置。
5. 前記１以上の投影装置が１台である場合は、偏光スイッチの付いた偏光フィルターを用いて投影する画像の偏光状態を制御することを特徴とする請求項１に記載の投影型三次元画像再生装置。

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