JP2009216752A - スクリーン及びそれを用いた立体映像表示システム - Google Patents

Abstract

【課題】スクリーンの中心から外れた位置でのフォーカスを大幅に改善すると共に、マルチレンズアレーを構成する球面レンズの焦点を短くしなくても視野範囲を広げ、立体視できる範囲を拡大し、画質も大きく改善する。
【解決手段】ダブルレンズアレースクリーン１０は、複数個のダブルレンズアレーエレメント１１が、縦方向及び横方向にそれぞれ積み重ねられた構造である。一つのダブルレンズアレーエレメント１１は、ＩＰの立体画像の１画素を構成する。ダブルレンズアレーエレメント１１は、マルチレンズ１１１と、個々のマルチレンズ１１１に対応した画像が投射される面を構成し、スクリーン加工されたレンズスクリーン１１２とを有する。レンズスクリーン１１２は、出射側マルチレンズ１１１の焦点位置の軌跡により描かれる曲面を入射される立体映像が結像する曲面とした形状を持つ球面レンズである。
【選択図】図１

Description

本発明はスクリーン及びそれを用いた立体映像表示システムに係り、特にメガネ無しで立体映像を鑑賞するインテグラルフォトグラフィ立体映像に使用されるスクリーンと、そのスクリーンを用いた立体映像表示システムに関する。

インテグラルフォトグラフィを利用しためがね無し立体像再生方式は、フィルムを使った方式が従来から知られており、近年、スーパーハイビジョン等の高解像度ディスプレイを使ったメガネ無しインテグラル立体テレビとしてデモ実演されている。このメガネ無しインテグラル立体テレビでは、予め撮影用レンズアレーを介して撮影された画像を高精細プロジェクタでレンズアレースクリーンに投映し、レンズアレー越しに画像を見るとマルチレンズ一つ一つのレンズが１画素として見え、観察者の位置によってマルチレンズの画像が変わるので、観察者の右目、左目で違う画像が見えることになり立体画像が再生される。レンズアレーに関しては特許文献１に記載がある。

図６は、従来から用いられているメガネ無しインテグラル立体テレビでのレンズアレースクリーンの一例の構成図を示す。図６に示すように、レンズアレースクリーン１００は、一方の面（Ａ面）のマルチレンズアレー１０１と、他方の面（Ｂ面）の平面スクリーン１０２とが対向した断面構造である。

Ａ面（出射面）のマルチレンズアレー１０１は、球面レンズＡ１，Ａ２，Ａ３・・・を並べた構造である。球面レンズＡ１〜Ａ３等は、プレス成型、あるいは半球ガラスレンズを製作しガラスプレートに並べ接着する方法で作製されている。球面レンズＡ１〜Ａ３等の焦点位置は、Ｂ面（入射結像面）の表面である。

Ｂ面の平面スクリーン１０２は、図の左側から図示しない投射プロジェクタからの投射光が入射されて画像を結像する。ここでは、投射されて結像された画像が平面スクリーン１０２のＢ２の範囲（直径Φ１の円形）に映っている。この映像範囲Ｂ２は、それに対向する球面レンズＡ２の有効径に相当する。同様に、平面スクリーン１０２の範囲Ｂ１、Ｂ３は、それに対向する球面レンズＡ１、Ａ３の有効径に相当する。

観察者が、マルチレンズアレー１０１を観察する場合（この図６では球面レンズＡ２のみ作図）、観測者が球面レンズＡ２の中心方向の視線方向Ｃ１から見た場合は、映像範囲Ｂ２のＢ２−ａの画像が見え、視線を動かして（観測位置を移動して）、視線方向Ｃ２から球面レンズＡ２を見ると、映像範囲Ｂ２のＢ２−ｂの位置の画像が観測される。

このように、Ｂ面側（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，・・・）の平面スクリーン１０２に結像された画像を、Ａ面側のレンズアレー１０１側から観測すると、観測者の位置によって、視線方向Ｃ１から見た場合と、角度のついた視線方向Ｃ２から見た場合とでは、映像範囲Ｂ２内の違う位置の画像を観測することになるので、予め位置によって変わる立体画像が平面スクリーン１０２に投影されていれば、見る位置によって変わる立体画像が観測される。

すなわち、従来のインテグラル立体テレビ方式で投映される画像は、図６に示すＢ面側の平面スクリーン１０２に投影され、その画像は個々の球面レンズの直径と同じ丸い絵が並んだ画像となる。この球面レンズ一個一個が、インテグラル立体テレビの１画素に相当し、一画素のエレメント中にどこまで細かい解像度の高い画像が出せるかで立体視できる範囲と画質が決まる。

特許第３６７８７９２号公報

ところで、人の立体視では右目と左目に入る画像で違う画素画像を観測する必要があり、これは画素密度とスクリーンからの観測距離によって決まる。一般に、視距離２ｍ〜４ｍ位で少なくとも０.５度に１画素は必要で、これは２０画素の円形に表示されたマルチ画像エレメントでは１０度の範囲に相当する。これは、±５度の視野角に相当し、視野角としては非常に狭い。

この画素数２０のマルチ画像エレメントを、水平方向４ｋ画素、垂直方向２ｋ画素の表示デバイス（表示域は水平方向３８４０画素、垂直方向２１６０画素で、ハイビジョンの画素数の４倍）で表示したとき、水平画素数は１９２（＝３８４０÷２０）画素になる。各画像エレメントにおいて、人の目の視域領域（視聴角範囲）を広げるためには、Ａ面側のレンズ焦点を短くして広角に広げ１画像エレメント内の画素数も更に増やす必要がある。

また、図６に示すスクリーンでは、球面レンズ個々のフォーカスは、中心付近で高く中心から外れた位置では急速に低下する。従って、観測者の位置が変わって中心から外れた画像のフォーカスが悪くなりＭＴＦ（Modulation Transfer Function）が急激に下がり、ボケた画像になってしまう。

マルチレンズアレー１０１の個々の球面レンズの中心から外れた位置の解像度を改善するには、一つの方法としては球面レンズを非球面レンズすれば改善される。しかし、全体画面の解像度（球面レンズの数）は、全画面サイズと投射プロジェクタの解像度（表示画素数例：水平方向４ｋ画素、垂直方向２ｋ画素）と１個の非球面レンズ当たりの画素数とで決まってしまうため、１個の非球面レンズの大きさが例えば直径２ｍｍ位とすると、精度ある非球面レンズが多数必要となり、製作自体が困難である。

因みに、水平方向４ｋ画素、垂直方向２ｋ画素の解像度を得るためには、１個の非球面レンズ当たり２０画素を割り当てると、水平方向には２００（＝４ｋ／２０）個、垂直方向には１００（＝２ｋ／２０）個の非球面レンズが必要であるから、全部で２００００（＝２００×１００）個の非球面レンズが必要になる。このように多数個の非球面レンズを造り、更に正確に並べて全体画面を構成することは、非常に難しくコストも高くなる。

このように、従来のスクリーンであるレンズアレースクリーン１００は、マルチレンズアレー１０１の各球面レンズＡ１〜Ａ３等の焦点を短くし、かつ、画素数を増やさなければ視野範囲を広げることができない。また、スクリーンの中心から外れた位置の画素は、周辺フォーカスが一層悪くなり、視域を広げた角度のついた位置から見た画像のフォーカスが著しく悪化し、視野範囲の拡大と両立しない。

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、スクリーンの中心から外れた位置でのフォーカスを大幅に改善すると共に、マルチレンズアレーを構成する球面レンズの焦点を短くしなくても視野範囲を広げられ、立体視できる範囲も広がり画質も大きく改善し得るスクリーン及びそれを用いた立体映像表示システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明のスクリーンは、投射された立体映像を映してインテグラルフォトグラフィの立体映像を鑑賞させるスクリーンにおいて、立体映像を出射する出射側球面レンズと、立体映像が入射され、出射側球面レンズの焦点位置の軌跡により描かれる曲面を入射される立体映像が結像する曲面とした入射側球面レンズと、を有する構造のレンズエレメントを、複数個縦方向及び横方向にそれぞれ重ねて一体加工すると共に、入射側球面レンズの表面をスクリーン加工した構造であることを特徴とする。

ここで、上記の複数個のレンズエレメントのうち、隣接するレンズエレメント間に生じる間隙に、樹脂部材を埋設してもよい。

また、上記の目的を達成するため、本発明の立体映像表示システムは、立体映像を投射する投射プロジェクタと、投射プロジェクタから投射された立体映像を映してインテグラルフォトグラフィの立体映像を鑑賞させるスクリーンとからなる立体映像表示システムにおいて、
上記スクリーンを、立体映像を出射する出射側球面レンズと、立体映像が入射され、出射側球面レンズの焦点位置の軌跡により描かれる曲面を入射される立体映像が結像する曲面とした入射側球面レンズとを結合した構造のレンズエレメントを、複数個縦方向及び横方向にそれぞれ重ねて一体加工すると共に、入射側球面レンズの表面をスクリーン加工した構造とし、上記投射プロジェクタを、個々のレンズエレメントの入射側球面レンズに対して、その入射側球面レンズの中心から同心円状に歪ませた立体画像を投射する構成としたことを特徴とする。

本発明によれば、入射側球面レンズの投映角度が広がり、また、出射側球面レンズの焦点位置を一定としたことにより、中心から外れた位置でのフォーカスを従来の平面スクリーンよりも大幅に改善でき、視域角度の端側での画質を著しく改善できる。また、本発明によれば、レンズの焦点を短くしなくても視野範囲を広げられ、立体視できる範囲も広がり画質も大きく改善できる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明になるスクリーン及びそれを用いた立体映像表示システムの一実施の形態の概略構成図を示す。同図において、ダブルレンズアレースクリーン１０は、本実施の形態のスクリーンで、複数個のダブルレンズアレーエレメント１１が、縦方向及び横方向にそれぞれ積み重ねられ規則的に配置固定された構造である。一つのダブルレンズアレーエレメント１１は、インテグラルフォトグラフィ（ＩＰ:Integral Photography）の立体画像の１画素を構成する。

ダブルレンズアレーエレメント１１は、透明な出射側マルチレンズ１１１と、個々の出射側マルチレンズ１１１に対応した画像が投射される面を構成し、白色に塗装され、エッチング等でスクリーンを構成する入射側レンズスクリーン１１２とを有する、両側凸の球面レンズ構造とされている。

投射プロジェクタ３０は、超高精細画像をダブルレンズアレースクリーン１０の入射側レンズスクリーン１１２に、全体のスクリーンサイズに合わせて投射する投射装置で、ダブルレンズアレースクリーン１０と共に本実施の形態の立体映像表示システムを構成している。

図１において、投射プロジェクタ３０によりダブルレンズアレースクリーン１０を構成する多数の入射側レンズスクリーン１１２に投射された超高精細の円形画像が、対応する一個一個の出射側マルチレンズ１１１に映し出される。そして、ここに並んだ一つ一つの円形画像を相対する出射側マルチレンズ１１１の前方（出射側）から覗くと、観測者の位置、観測者の両目の間隔によって違う画素の映像が観測者の右目と左目に入射するので、予めこの観測者の方向に合わせた立体映像を個々の丸い画像の中に映し出せば、メガネ無しの裸眼でインテグラルフォトグラフィの立体像が観測できる。

次に、ダブルレンズアレーエレメント１１の構成について詳細に説明する。図２は、ダブルレンズアレーエレメント１１の一実施の形態の断面図を示す。同図において、入射側レンズスクリーン１１２は、球面レンズである観測者側の出射側マルチレンズ１１１の焦点位置に配置された、表面が出射側マルチレンズ１１１の焦点位置の軌跡により描かれる曲面に合わせた形状の球面レンズである。また、入射側レンズスクリーン１１２は、表面がスクリーン加工（ケミカルエッチングや塗装等）されている。

この入射側レンズスクリーン１１２の中心ａは、出射側マルチレンズ１１１の焦点位置にあり、また、位置ｃまで球面を形成している。この位置ｃは、入射側レンズスクリーン１１２のレンズ結像面Ｂで出射側マルチレンズ１１１の焦点を維持した場合の最外周位置であり、図６に示した従来の平面スクリーン１０２の中心がａにあったときの最外周位置ｂよりも出射側に位置している。

出射側マルチレンズ１１１と入射側レンズスクリーン１１２との間には、直径Φ２の出射側マルチレンズ１１１の円柱側面がブラック遮光層膜１１３とされて配置されている。このブラック遮光層膜１１３は、黒色塗装か黒色クラッド層で構成されており、外部からの光を遮光する。このようにして得られた両側に球面を持つロッドレンズがダブルレンズアレーエレメント１１である。

図２に示すダブルレンズアレーエレメント１１の中心ａに入射した光は、出射側マルチレンズ１１１により平行光線ａ１、ａ２、ａ３として出射される。また、位置ｃにｄ点方向から入射した光は、出射側マルチレンズ１１１により平行光線ｃ１、ｃ２として出射される。なお、ｃ３に相当する光は、ブラック遮光層膜１１３により遮光されるために出射されず、平行光線ｃ１、ｃ２の光量はａ１〜ａ３のそれの半分ぐらいに下がる。

この構造のダブルレンズアレーエレメント１１は、非球面レンズに対して格段に造り易い球面レンズにより構成されており、また、コストも安い。このダブルレンズアレーエレメント１１を図１に示すように積み重ねて平面スクリーンとして構成する。

次に、本実施の形態のスクリーンの投影画像と従来のスクリーンの投影画像について図３と共に説明する。図３（Ｂ）に断面を示す従来のレンズアレースクリーン１００の平面スクリーン１０２に画像を投影した時の画像のリニアリティは同図（Ａ）に示すように均等で同心円状の画像である。ここで、図３（Ａ）、（Ｂ）において、ｘ１は画像中心（レンズ中心でもある）、ｙ１は最外周位置を示し、また、ｚ１は図３（Ｃ）、（Ｄ）の外周位置ｚ２に対して平面投影した時の仮想位置に相当する。

これに対し、図３（Ｄ）に断面を示す本実施の形態のダブルレンズアレースクリーン１０の入射側レンズスクリーン１１２に画像を投影した時は、同図（Ｃ）に示すように、周辺になるほど縮んだ画像にしないと、レンズ中心Ｏ方向からレンズスクリーンを見た時正常なリニアリティに見えない。ここで、図３（Ｃ）、（Ｄ）において、ｘ２は画像中心、ｙ２は平面スクリーン投影画像の最外周位置ｙ１に対応する位置、ｚ２は最外周位置を示す。

すなわち、一つのダブルレンズアレーエレメントに投射プロジェクタから投射される画像は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、図６の従来平面スクリーン１０２のときは６平面投映画像のように同心円状に均等な画像を映し出せば、観測者の視角度によって均一に変化する。

これに対し、図２に示した本実施の形態のダブルレンズアレースクリーン１０の場合、図３（Ｃ）、（Ｄ）の７球面投映画像に示すように、中心に比較して周辺が縮小した画像を映し出す必要があるため、予め投射プロジェクタ３０に入力する画像を変形させる必要がある。これによって、観測者が見る角度による位置変化が一定となり画像サイズが均一になる。

次に、本発明の要部を構成する図２に示したダブルレンズアレーエレメント１１の構成について、図４の断面図と共に更に詳細に説明する。図４において、中心Ｄの半径Ｒの球面２１のうちの一部の球面レンズが出射側マルチレンズ１１１で、その焦点Ａは、出射側マルチレンズ１１１に並行に入射した光が結ぶ焦点位置の軌跡により描かれる曲面である球面を示す。また、この焦点Ａと中心Ｄを通る直線上に中心があり、かつ、焦点Ａを通る、中心Ｃの半径Ｘの球面２２のうちの一部の球面レンズが入射側レンズスクリーン１１２を構成する。また、出射側マルチレンズ１１１と入射側レンズスクリーン１１２との間に直径Φの円柱が配置される。図４にはこの円柱の側面２３（１１３）が示されている。

ここで、球面２１の中心Ｄと球面２２の中心Ｃとを結ぶ線分に対して角度θ１の位置にある球面２１上のＢ点と焦点Ａとを結んだ線と、球面２１を通る中心線（ＡＤＣの線上）に対する角度θ２は、レンズの屈折率をｎ２とすると、次式で表される。

θ２＝Ａｓｉｎ（ｓｉｎ（θ１／ｎ２））・・・・・（１）
（Ａｓｉｎは、アークサイン）
但し、Ｒ・Ｓｉｎθ１＜Φ／２（Φ：レンズ直径）
図４から見て解かるように、球面２１の焦点Ａは、Ｃ点とＡ点を結んだ半径Ｘを持つ球面２２に相当する。この半径ＸはＢ点から線分ＡＣに下ろした垂線と線分ＡＣとの交点をＥとすると、線分ＣＥの長さと線分ＥＡの長さとの和を示す次式で表される。

Ｘ＝Ｒ−Ｒ・ｓｉｎθ１・ｔａｎ（（π／２）−θ１）
＋Ｒ・ｓｉｎθ１・ｔａｎ（（π／２）−θ２）・・・・・（２）
因みに、このダブルレンズアレーエレメント１１の硝材を一般のレンズに使用されているＰＭＭＡ（アクリル）で屈折率１.４９（＝ｎ２）とし、半径Ｒを２.０ｍｍ、直径Φも２.０ｍｍとした場合、θ１は最大３０度、その時θ２は１９.６度、Ｃ点を中心とした入射側面の半径Ｘは３.０７５ｍｍになる。なお、角度θ２は、観測者の最大視域角を表している。

図５（Ａ）〜（Ｃ）は、ダブルレンズアレースクリーン１０の組み立て図を示す。図５（Ｂ）の斜視図に示す一つ一つのダブルレンズアレーエレメント１１は、射出成型やプレス成型等で造られ、レンズスクリーン１１２の入射面側（図４のＡ点側）は白色に塗装されている。このダブルレンズアレーエレメント１１は、図５（Ａ）の斜視図、及び同図（Ｃ）の一部断面図に示すように、例えば２枚のダブルレンズアレー保持ガラス２７ａ、２７ｂ間に順に並べられる。そして、個々のダブルレンズアレーエレメント１１の間に生じる空隙に、光学用ＵＶ硬化型樹脂、あるいは、光学用熱硬化型樹脂からなる光吸収タイプの黒色クラッド樹脂２８を埋めて接着することで、一体構成の１枚のダブルレンズアレースクリーン１０を製造する。

このように、複数個のダブルレンズアレーエレメント１１を図５（Ａ）〜（Ｃ）に示すようにロッドとして配列して組み立て、隣接するダブルレンズアレーエレメント１１間に生じる隙間を黒色クラッド樹脂２８で埋めることで、ダブルレンズアレーエレメント１１間からの洩れ光や観測者の視域を超えた時の繰り返し画像を吸収することができ、これによりコントラストの高い立体画像が得られる。

なお、図５に示す本実施の形態のダブルレンズアレースクリーン１０の構成と似たような公知の光学プレートとして、円柱レンズをプレートにしたＳＬＡ（セルフォックレンズアレー：登録商標）やファイバープレート（暗視カメラや光伝導）がある。前者は並べた複数の円柱レンズ（単面は平坦）の個々の正立像を読み取るもので複写機やコピー機に使用されている。後者は、直径数マイクロメーター（μｍ）のファイバーをバンディングしたものをさらに束ねて必要な厚みに両面研磨したものである。これらは、いずれも片面に結像した像をプレートの厚みで反対側に導く構成であり、本発明のインテグラル立体テレビ用スクリーンには応用できない。

これに対し、本実施の形態のダブルレンズアレースクリーン１０は、入射面側及び出射面側共に球面レンズで構成されたダブルレンズアレーエレメント１１を縦方向及び横方向にそれぞれ積み重ねて平面スクリーンとして構成したものであり、多数の入射側レンズスクリーン１１２に投射された一つ一つの画像を相対する出射側マルチレンズ１１１の前方から覗くと、見る方向によって違う画像が映ることでメガネ無しの裸眼で立体像が観測できるものである。

また、本実施の形態のダブルレンズアレースクリーン１０は、投影された画像を映すＢ面側がＡ面の球面レンズフォーカスのカーブを持ったレンズ面とされ、その表面をケミカルエッチング、あるいは塗装等でスクリーン結像面として構成されており、これにより同じ単位のマルチレンズ径でも投映角度が広がり、さらにＡ面側のフォーカス位置が一定したことにより図６に示した従来のＢ面側が平面スクリーンの構成のレンズアレースクリーンに比べてフォーカスが大幅に改善される。

また、従来のレンズアレースクリーンに比べ単体のダブルレンズアレーエレメント１１の周辺フォーカスが大幅に改善されることにより、視域角度の端側での画質が著しく改善される。また、図２のように単体のダブルレンズアレーエレメント１１の周辺の位置が従来のＢ点から出射側の位置のＣ点に変わることにより、観測者から観る角度がより広角に広がり視域が改善される。

本発明のスクリーン及びそれを用いた立体映像表示システムの一実施の形態の概略構成図である。 本発明のスクリーンを構成するダブルレンズアレーエレメントの一実施の形態の断面図である。 本発明の一実施の形態のスクリーンの投影画像と従来のスクリーンの投影画像とを対比して示す図である。 本発明のスクリーンを構成するダブルレンズアレーエレメントの構成の詳細説明用断面図である。 本発明のスクリーンの一実施の形態の組み立てを説明する図である。 従来から用いられているメガネ無しインテグラル立体テレビでのレンズアレースクリーンの一例の構成図である。

符号の説明

１０ ダブルレンズアレースクリーン
１１ ダブルレンズアレーエレメント
２７ａ、２７ｂ ダブルレンズアレー保持ガラス
２８ 黒色クラッド樹脂
１１１ 出射側マルチレンズ
１１２ 入射側レンズスクリーン
１１３ ブラック遮光層膜

Claims (3)

1. 投射された立体映像を映してインテグラルフォトグラフィの立体映像を鑑賞させるスクリーンにおいて、
   前記立体映像を出射する出射側球面レンズと、前記立体映像が入射され、前記出射側球面レンズの焦点位置の軌跡により描かれる曲面を前記入射される立体映像が結像する曲面とした入射側球面レンズと、を有する構造のレンズエレメントを、複数個縦方向及び横方向にそれぞれ重ねて一体加工すると共に、前記入射側球面レンズの表面をスクリーン加工した構造であることを特徴とするスクリーン。
2. 複数個の前記レンズエレメントのうち、隣接する前記レンズエレメント間に生じる間隙に、樹脂部材を埋設したことを特徴とする請求項１記載のスクリーン。
3. 立体映像を投射する投射プロジェクタと、前記投射プロジェクタから投射された前記立体映像を映してインテグラルフォトグラフィの立体映像を鑑賞させるスクリーンとからなる立体映像表示システムにおいて、
   前記スクリーンは、
   前記立体映像を出射する出射側球面レンズと、前記立体映像が入射され、前記出射側球面レンズの焦点位置の軌跡により描かれる曲面を前記入射される立体映像が結像する曲面とした入射側球面レンズと、を有する構造のレンズエレメントを、複数個縦方向及び横方向にそれぞれ重ねて一体加工すると共に、前記入射側球面レンズの表面をスクリーン加工した構造であり、
   前記投射プロジェクタは、
   個々の前記レンズエレメントの前記入射側球面レンズに対して、その入射側球面レンズの中心から同心円状に歪ませた立体画像を投射する構成である
   ことを特徴とする立体映像表示システム。

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