JP2010113225A - 裸眼立体視システム - Google Patents

Abstract

【課題】視域（立体表示領域）の設計に合わせて、プロジェクタからの光線を有効に活用する。
【解決手段】本発明の裸眼立体視システムは、縦横に光を屈折させる屈折光学系と、投影方向の分布に屈折光学系の主軸方向に対して、偏りを持たせて配置した複数のプロジェクタとを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、裸眼で立体視するための裸眼立体視システム（単に、立体視システム、裸眼立体視装置とも言う。）に関する。

近年、インテグラル・フォトグラフィ方式など、自然な3次元の光線空間を再現する光線再生方式の裸眼立体ディスプレイに関する市場動向がある。

ここで、光線空間を再現する光線密度を向上させるため、多数のプロジェクタをマイクロレンズなどの光学系に対し、異なる入射方向から重畳投影する技術が特許文献１に開示されている。

図９に特許文献１の裸眼立体視システムの原理的な構成図を示す。

プロジェクタ群４１からの光線がフレネルレンズ５１に多重投影され、その前面に置かれたマイクロレンズアレイ５２を介して出力される。この構成により、マイクロレンズアレイ５２の一つのマイクロレンズには、複数のプロジェクタ４１による複数の画素からの光線が入射する。すると、例えば、一つのプロジェクタからn画素分の光線があるマイクロレンズに入射したとき、その光線はマイクロレンズの焦点距離でいったん集光し、そこからn方向の光線として出射する。そのため、立体視システムの光線空間による映像を観察するユーザからは、一つの画素からの光線が見る方向によって違う情報を出力しているように感じられる。

このような原理により、ユーザの右目と左目に視差のある情報が入力され、ユーザは立体感を感じる。なお、フレネルレンズ５１は除いたとしても実際上はあまり違いがないため、以降の説明では省略する。また、マイクロレンズアレイ５２はレンチキュラレンズを十字に交差させて配置したものでも構わないが、縦横に光線を屈折させることにより、フルパララックスを実現することが可能となる。

このとき、マイクロレンズアレイ５２の一つのマイクロレンズに複数のプロジェクタからの光線が入射することの効果は、フレネルレンズ５１から入射してくる光線の角度によって、該マイクロレンズレンズにより集光する位置がマイクロレンズアレイ５２の平面と平行な面上で平行方向にずれる現象として観察される。そのため、ユーザからは、画素数が増えたように感じられることとなる。

特開2008-139524号公報

図１０に、特許文献１におけるプロジェクタ群と立体表示領域との関係を説明する図を示す。特許文献１では、図１０に示すように、プロジェクタ群４１により表現される3次元的な光線空間は図中２１と２２の間の領域（以下、立体表示領域）となり、マイクロレンズアレイやクロスレンチキュラなどの屈折光学系４の垂直方向(以下、正面方向)５に対し、光線分布が対称的になるように設計することが開示されている。これは、裸眼立体視システムによる映像を観察するユーザの位置として、屈折光学系４の正面方向を前提としている。しかしながら、この裸眼立体視システムを観察するユーザの位置が、正面方向ではなく、裸眼立体視システムの設置環境や裸眼立体視システムとユーザの目の位置の相対関係により、ユーザが屈折光学系４を斜め方向から見るある範囲に限定される場合がある。このような場合には、ユーザの目には届かず、無駄となる光線が多数発生し、プロジェクタ台数に応じた立体感のポテンシャルを十分に活用することができない。

また、プロジェクタ自体の大きさがあり、プロジェクタを設置する密度には限界が存在するため、立体感の表現に重要な光線密度を向上させるためには、プロジェクタからの光線の有効利用が課題となる。

そこで、本発明の目的は、ユーザが裸眼立体視システムの正面方向から利用しない状況において、プロジェクタからの光線をできるだけ無駄のないように活用し、立体感を向上させることにある。

本発明の裸眼立体視システムは、縦横に光を屈折させる屈折光学系と、投影方向の分布に屈折光学系の主軸方向に対して、偏りを持たせて配置した複数のプロジェクタとを有する。

本発明の望ましい他の態様は、複数のプロジェクタは、投影する光線が屈折光学系に直接入射する第１のプロジェクタと、投影する光線が反射光学系により反射されてから屈折光学系に入射する第２のプロジェクタとを含む。

本発明の望ましいさらに他の態様は、複数のプロジェクタは、投影する光線が、ハーフミラーを透過して、屈折光学系に入射する第１のプロジェクタと、投影する光線がハーフミラーにより反射されてから屈折光学系に入射する第２のプロジェクタとを含む。

本発明の望ましいさらに他の態様は、複数のプロジェクタの各々は、各々のプロジェクタから投影された光線が屈折光学系に至る最長距離と最短距離との差以上の焦点深度のレンズを有する。

本発明の望ましいさらに他の態様は、複数のプロジェクタの各々をレンズシフトさせることにより、投影方向の分布に屈折光学系の主軸方向に対して偏りを持たせる。

本発明によれば、利用方法を想定した視域（立体表示領域）の設計に合わせて、プロジェクタからの光線を有効に活用することができるため、より立体感の高い裸眼立体視システムを提供することができる。

本発明の実施形態を、実施例１〜3により説明する。

図１に、本実施例の裸眼立体視システムの装置構成例を示す。プロジェクタ群４１の各プロジェクタはそれぞれ、映像信号を出力するPC４２〜４４と接続されている。PC４２〜４４の各々は、ビデオインターフェース（ビデオＩＦ）を持ったパーソナルコンピュータ又はパーソナルコンピュータに代わる制御装置である。コンテンツデータ４６〜４８は、それぞれPC４２〜４４の記憶装置に格納されており、PC４２〜４４は、制御用PC４５からネットワーク４９を介してコントロールされ、コンテンツデータ４６〜４８は、同期してプロジェクタ群４１に表示される。

図２に、本実施例のプロジェクタ群４１と立体表示領域との関係を説明する図を示す。プロジェクタ群４１の配置と立体表示領域の関係について、図２を用いて、図１０と比較しながら説明する。立体視システムの利用法として、図１０における右側の領域の方（正面方向５よりも立体表示領域の端２２側）からユーザによって観察されることが多い場合を想定する。このとき、図２に示すように、プロジェクタ群４１を正面方向５に対して左側に位置をずらし、かつ、プロジェクタ１〜３の屈折光学系４への投影方向を傾かせ、立体表示領域を図１０よりも右側の図面上６と７の間の領域に変更する。これは、立体表示領域はプロジェクタ群４１から投影される光線が存在する領域となるが、この領域はプロジェクタ群４１の投影方向すべてを合成した分布によって決定することができるためである。このように立体表示領域の変更を、プロジェクタ群４１の投影方向の分布が屈折光学系４の主軸方向に対して偏りを持たせることによって実現する。

このときのプロジェクタの傾きと立体表示領域の関係について、さらに詳しく説明する。屈折光学系４の1つの光学要素から出力される光線の向きについて図３を用いて説明する。例えば、図３（a）に示すように、1つの光学要素７１に対し、プロジェクタから光線７２が入射すると、光学要素７１の大きさと焦点距離に応じた角度αの広がりを持つ、方向７３を中心とする光線７４として出射される。これは、図１０の中央のプロジェクタから屈折光学系４の中央の光学要素に向けた光線の様子に相当する。ここで、図３（ｂ）に示すように、プロジェクタから屈折光学系４への入射光を右側に角度θ分（方向７３に対して角度θをなす方向７５に）傾ければ、光学要素７１から出射される光線７７の中心方向７６は、角度θ分傾いた図中の方向７６となる。このとき、出射される光線７７の広がる角度α’は光学要素７１の大きさと焦点距離で決まる。このように、立体視システムの光線空間による映像の観察位置が立体視システムの正面方向でない場合、立体表示領域の中心方向と屈折光学系４との角度に応じて、プロジェクタの投影方向を決定する。このとき、観察位置が立体表示領域の中心方向(図３(ｂ)の方向７６)にあることが望ましいが、後述するプロジェクタの焦点深度による制約があるので、その制約の範囲内で観察位置が立体表示領域の中心方向に近づくように、プロジェクタの投影方向を決定する。

なお、プロジェクタを傾ける方向については、説明がわかりやすい様に2次元断面方向で面内の回転としたが、図２の図面に対して垂直方向(手前方向または奥行き方向)への回転させてもよく、その場合、立体表示領域は図２の図面の垂直方向へ移動する。

さらに、上記のように、立体表示領域を変更する場合、それに合わせて表示する画像信号も変更する。屈折光学系４より出射される各光線の方向に応じて、各光線方向に表示させるべき立体物の情報を表示させればよい。

このような配置により、図２に示す、ユーザの観察位置とならない領域８に利用していた情報及び光線を、領域９の情報及び光線として有効活用することが可能となり、裸眼立体視システムの利用上の位置的制約に対応した情報及び光線の有効活用が可能となる。

このとき、あるプロジェクタに注目したときの焦点深度について、図４を用いて説明する。プロジェクタ群４１のひとつのプロジェクタ１の投影範囲を図中の投影範囲３１としたとき、プロジェクタ１のピントがあう範囲（以下、焦点深度）を、図中の距離A〜Bの範囲以上に設定する。距離Aは、プロジェクタ１から投影された光線が屈折光学系４に至る最短距離であり、距離Bは最長距離である。ここで、焦点深度の許容値は、想定する裸眼立体視システムの利用状況に応じて相対的に定義する。例えば、ある光線情報に隣接する光線情報が半分くらい混ざるのを許容する場合、0.5画素分の散乱サイズまで許容するというように定義する。

焦点深度を深くする(ピントの合う範囲を広くする)ためにはプロジェクタ開口率を小さくするなどの方法のほか、同様の効果を実現するレンズシフトを利用する方法などがある。レンズシフトは、プロジェクタ１の投影方向を屈折光学系４の正面方向から傾ける代わりに、プロジェクタ１のレンズを投影方向と垂直な方向に平行移動させ、プロジェクタ１のレンズによるピントの合う面は変えずに、投影方向を平行移動させる既知の方法である。このレンズシフトを用いると、プロジェクタ１のレンズによるピントの合う面は屈折光学系４の面のままとなるため、焦点深度について考慮する必要がない。

本実施例は、裸眼立体視システムの装置内空間を有効活用して、立体表示領域を正面方向から傾けるために鏡を利用する方法について、図５を用いて説明する。図５は裸眼立体表示装置６３を横方向から見たものの一部を示したものである。画像が表示される屈折光学系４が、ある程度の高さの位置に垂直に設置され、ユーザとして想定される子供から大人までの立体観察領域６４が屈折光学系４の正面方向より下側にある。

このとき、立体表示領域を屈折光学系４の正面方向より下側にシフトさせるように構成すると、屈折光学系４がある程度の高さの位置に存在するため、裸眼立体表示装置６３の下側に空間的な余裕がある。そこで、反射光学系６２を用い、裸眼立体表示装置６３の下側に設置したプロジェクタ６１からの光線を反射させ、屈折光学系４へ入射させることにより、空間を有効活用し、想定した利用法において、光線密度を増加させる。反射光学系６２は反射光学系を利用するプロジェクタ６１の投影範囲よりも大きなサイズの鏡（全反射が望ましい）を用い、プロジェクタに対向する位置に配置し、プロジェクタ６１からの光線を反射する向きは、設計する立体観察領域の方向として屈折光学系４に入射するように設定する。

なお、プロジェクタ１，２と６１の投影距離が変わる場合には、ズーム光学系を用いて、屈折光学系へ入射する投影面積がほぼ等しくなるようにすることが望ましい。たとえば、プロジェクタ１，２の投影距離がL1、画角の半分がβ、プロジェクタ６１の投影距離がL2、画角の半分がγであるとすると、次式に示すような画角になるようにズームを行えばよい。
γ＝tan^-1{(L1/L2)tanβ}
このようにすることにより、屈折光学系４の１レンズ要素で集光されて表現される各プロジェクタからの光線密度がほぼ均等となる。

また、各プロジェクタから屈折光学系４と同じ範囲に投影することが望ましい。しかしながら、図５に示したように、多少投影する領域の大きさが変わったり、投影領域が屈折光学系４よりはみ出したとしたりしても、光線分布とその密度が不均一になるなど、裸眼立体視システムのディスプレイとしての品質は下がるものの、用途によっては許容される。この際、余計な反射が発生しないように、裸眼立体表示装置６３の内面は光を吸収する色や材質を用いるものとする。例えば、黒い色のフェルト状のもので覆えばよい。このように、ある程度の誤差を許容することにより、裸眼立体視システムの組み立てや調整を容易にできる。

次にテーブルトップ型の裸眼立体視システムの実施例について図６及び図７を用いて説明する。図６(a)はテーブルトップ型の裸眼立体視装置を横から見た図、図６(b)、及び図７は装置を上から見た図である。

裸眼立体表示装置６３内部にハーフミラー７３を設置する。ハーフミラー７３は、裸眼立体表示装置６３の底面に設置されたプロジェクタ１〜２の光線を透過する率と側面に配置されたプロジェクタ７１〜７２の光線を反射する率とをほぼ等しくする。また、裸眼立体表示装置６３の内面には光を吸収する色や材質を用いる。

ここで、裸眼立体システムはフルパララックスが表現可能であるという特徴を活かして、３辺方向から立体像を観察することが可能となるような利用方法を想定し、図７のように屈折光学系４に対して、ユーザによる立体観察領域６４を実現するようなプロジェクタ配置の例を図６に示す。

プロジェクタ１〜２が図６(a)の右側の方向に立体観察領域を実現するために、プロジェクタ１〜２を図中の右方向に傾けて配置する。傾ける角度は、プロジェクタ１〜２と装置内部の大きさの空間的な制約と前述のプロジェクタの焦点深度の制約を考慮し、設計した立体観察領域の屈折光学系４に対する角度に応じて決定する。

また、プロジェクタ７１〜７２は、図６(a)のように、装置を横から見た際に、ハーフミラー７３の鏡面(反射面)に対して、プロジェクタ１〜２と光軸が等距離となる面対称の位置に設置する。さらに、図６(b)に示すように、装置を上から見た場合、底面のプロジェクタ１〜２の設置間隔（図中のｗ）に対して、1/2（図中のｗ/2）ずらした位置に側面のプロジェクタ７１〜７２を配置する。

このような構成にすることで、側面のプロジェクタ７１〜７２の屈折光学系４までの投影距離は、ハーフミラー７３の面対象となる底面に対して設置した場合と同等となるため、プロジェクタの画角を同一にできるなどの利点がある。

以上のような実施例により、限られた装置内の空間を有効に活用し、光線密度を増加させることができ、立体像の品質を向上することが可能となる。

ここで、上記ではハーフミラー７３は、透過率と反射率がほぼ等しいものを使用するとしたが、たとえば、透過率が40%、反射率が20%のハーフミラーであれば、透過して光線が出力されるプロジェクタ１〜２の輝度を半分にすることで、輝度を合わせるようにしても良い。

また、上記では、側面プロジェクタ７１〜７２の配置について、ハーフミラー７３を中心として底面プロジェクタ１〜２と対称に設置するとしたが、プロジェクタの画角を変えるなどにより、必ずしも対称に設置する必要はない。

また、屈折光学系４を底面プロジェクタ１〜２の設置面に対して水平ではなく、図８に示すように角度をつけて設置してもよい。このように設置することで、プロジェクタ２、７１に要求される焦点深度を浅くすることが可能となり、立体像の品質を向上することが可能となる。

以上の実施形態によれば、利用方法を想定した視域（立体表示領域）の設計に合わせて、プロジェクタからの光線を有効に活用することができるため、より立体感の高い裸眼立体視システムを提供することができる。

裸眼立体視システムの装置構成例である。 プロジェクタ群と立体表示領域との関係を説明する図である。 屈折光学系の光学要素から出力される光線の向きについて説明する図である。 プロジェクタに注目したときの焦点深度について説明する図である。 鏡を利用する場合の裸眼立体表示装置を横方向から見た図である。 テーブルトップ型の裸眼立体視装置の構成図である。 テーブルトップ型の裸眼立体視装置を上から見た図である。 テーブルトップ型の裸眼立体視装置の他の構成図である。 裸眼立体視システムの原理的な構成図である。 特許文献１におけるプロジェクタ群と立体表示領域との関係を図である。

符号の説明

１〜３、６１、７１、７２：プロジェクタ、４：屈折光学系、４１：プロジェクタ群、６２：反射光学系、６３：裸眼立体表示装置、６４：立体観察領域、７３：ハーフミラー。

Claims (7)

1. 縦横に光線を屈折させる屈折光学系と、
   投影方向の分布に前記屈折光学系の主軸方向に対して偏りを持たせて配置した複数のプロジェクタとを有することを特徴とする裸眼立体視システム。
2. 前記複数のプロジェクタは、投影する光線が前記屈折光学系に直接入射する第１のプロジェクタと、投影する光線が反射光学系により反射されてから前記屈折光学系に入射する第２のプロジェクタとを含むことを特徴とする請求項１記載の裸眼立体視システム。
3. 前記第１のプロジェクタによる前記屈折光学系への投影面積と前記第２のプロジェクタによる前記屈折光学系への投影面積とがほぼ等しいことを特徴とする請求項２記載の裸眼立体視システム。
4. 前記複数のプロジェクタは、
   投影する光線が、ハーフミラーを透過して、前記屈折光学系に入射する第１のプロジェクタと、
   投影する光線が前記ハーフミラーにより反射されてから前記屈折光学系に入射する第２のプロジェクタとを含むことを特徴とする請求項１記載の裸眼立体視システム。
5. 前記ハーフミラー反射面に対して、前記第１のプロジェクタと前記第２のプロジェクタとの各々の光軸が等距離となる面対称の位置に、前記第１のプロジェクタと前記第２のプロジェクタとを配置することを特徴とする請求項４記載の裸眼立体視システム。
6. 前記複数のプロジェクタの各々は、各々のプロジェクタから投影された光線が前記屈折光学系に至る最長距離と最短距離との差以上の焦点深度のレンズを有することを特徴とする請求項１記載の裸眼立体視システム。
7. 前記複数のプロジェクタの各々をレンズシフトさせることにより、前記投影方向の分布に前記屈折光学系の主軸方向に対して偏りを持たせることを特徴とする請求項１記載の裸眼立体視システム。

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