JP2012068338A - 裸眼立体視ディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】
スクリーンを用いずに複数のプロジェクタ群とレンズ手段を用いて光線空間を作り出す立体視ディスプレイにおいて、人により知覚される画素の大きさが小さく、画素間の隙間が大きいために、画像の滑らかさが損失して、立体感が低く知覚されてしまうという課題があった。
【解決手段】
プロジェクタ群とレンズ手段の間に拡散板を設置し、プロジェクタ群からの光線を広げることにより、画素同士が隣接していると知覚される程度の大きさにする手段を提供することで、画像の滑らかな表現と、高い立体感のある映像表示を可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、人が、特別な眼鏡など、立体視を得るためのデバイスを装着せずに、立体視可能な映像を表示するディスプレイ装置に関する。

シャッタ式の眼鏡を用いることにより、立体映像を表示することが可能となる3Dテレビが市場に投入され、立体視ディスプレイの市場が活性化してきている。次世代の立体視ディスプレイとしては、シャッタ式のような特殊な眼鏡など、立体視を得るためのデバイスを装着せずに（本明細書においてはこのことを裸眼と呼ぶ）、立体映像を知覚することのできる裸眼立体視ディスプレイの技術が検討されている。裸眼立体視を実現する技術として非特許文献１に記載のインテグラル・フォトグラフィ方式（以下ＩＰ方式）がある。ＩＰ方式は縦方向にも横方向にも立体感を再現する技術である。

ＩＰ方式に基づく立体視ディスプレイにおいては、液晶ディスプレイなどのディスプレイの上にマイクロレンズアレイを重ね、指向性の光線空間を作り出すことで、上下左右あらゆる方向に視差のあるフルパララックスを実現している。この方式では、マイクロレンズにより、液晶ディスプレイのピクセルを構成する赤・緑・青(RGB)のサブピクセルが拡大されて、立体視する際に、色が分離して見えてしまうという課題がある。それに対し、特許文献１では、液晶ディスプレイとマイクロレンズアレイの間に拡散板を設置することにより、サブピクセルの色を混色させる方法が開示されている。

また、ＩＰ方式では、光線情報を如何に増加させるかが、立体感を向上させるキーポイントなるが、特許文献２では、多数のプロジェクタの映像を重畳投影することで光線情報量を増加させる技術が開示されている。

特開２００２−２２８９７４号公報（図１、段落0024〜0030） 特開２００８−１３９５２４号公報（図1、段落0006〜0009）

M.G. Lippmann、"Epreuves reversibles donnant la sensation du relief," J. de Phys., vol.7, 4th series, pp.821-825, November 1908.

特許文献２の手法においては、プロジェクタから投影された光線は、マイクロレンズを通ったあと、非常に小さな領域(この領域を以下，偏向支点と呼ぶ)に集光され、この領域を支点として，指向性の光線として拡がるため、人が立体視ディスプレイを観察する際に、非常に小さな画素として認識される。

プロジェクタが十分密に並び、となりあう上述の偏向支点どうしが十分に近ければ、問題ないが、現実的にはその間隔は広く、人が画面を観察した際に、滑らかさのない、隙間のある映像として知覚されてしまうという課題が存在する。このように画素間の隙間を知覚されてしまうと、画素数としては多く存在していても、立体感や画質感が損なわれるという結果となってしまうという問題がある。

そこで、本明細書では、集光光学手段とプロジェクタなどの出射手段との間に拡散手段を設置することにより、集光光学手段に入射する出射手段からの光線を拡げ、偏向支点の面積を大きくする構成が開示される。

より具体的には，
出射手段と、出射手段からの光線を集光する光学手段が複数並んだ集光光学手段と、集光光学手段と複数の出射手段との間に、該出射手段からの光線の広がりを大きくする拡散光学手段と、を備え、
拡散光学手段の設置位置は、複数の出射手段の焦点深度を含めた結像範囲と、集光光学手段の焦点深度範囲との、共通する範囲内であることを特徴とする態様を備える裸眼立体視ディスプレイが開示される。

集光光学手段としては，例えば，マイクロレンズアレイや，レンチキュラレンズシートなどのデバイスが該当する。

拡散手段は，入射する光線より出射する光線の角度を大きくする機能を備えるもので，例えば，拡散板や拡散シートと呼ばれるデバイスが該当する。

出射手段は，プロジェクタなどの映像投影装置が該当する。

上記態様により、人が画素として知覚する領域は拡くなり、画素間の隙間を認識しづらくなる。

開示によれば、表示される立体映像が滑らかとなり、立体感、画質感を向上することができるという効果を得ることができる。

集光光学デバイスにマイクロレンズアレイを用いた実施形態の構成を示す概念図である。 集光光学デバイスに2枚のレンチキュラレンズシートを用いた実施形態の構成を示す概念図である。 一つのレンズに注目したときの従来の光線を示す概念図である。 一つのレンズに注目したときの実施形態による光線を示す概念図である。 プロジェクタ9台を用いた実施形態の構成と偏向支点の見え方を示す概念図である。 拡散板を視点とマイクロレンズアレイの間にも設置した実施例を示す概念図である。

＜実施例１＞
集光光学デバイスとしてマイクロレンズアレイを用い，拡散デバイスとして拡散板を用い，映像投影装置としてプロジェクタを用いる場合の実施例について図１を用いて説明する。

プロジェクタ群１からマイクロレンズアレイ２へ重畳投影を行う。人は図１の右側、右目３、左目４の位置からマイクロレンズアレイ方向を見るとする。プロジェクタ群１から出射された光線は拡散板７で、光線を拡げられた後、マイクロレンズアレイ２へ入射して、一度集光されたあと、指向性の光線として拡がっていく。人の左右の目には、その位置に応じて、プロジェクタから出射された光線の一部(図中５、６)が選択的に入射することとなり、光線情報として視差のある情報を出力することで、裸眼で立体視が可能となる。

拡散板７の効果について、図３、図４を用いてさらに説明する。

図３は，拡散板７がない、従来例を示している。図３では，プロジェクタ１が下側にあり、上側に向かって光線が出ている状態を示しており、1台のプロジェクタからの3つの画素（図中３３、３４、３５）に注目し、説明のために１画素１光線として，それぞれの光線について示している。

プロジェクタからの光線はプロジェクタの位置３２に結像するので、この位置にスクリーンを設置することにより、映像を表示することが可能となる。ただし，後述するように，スクリーンの設置位置は，位置３２を含むプロジェクタの焦点深度範囲内であればよい。

しかし、スクリーンを設置せず、マイクロレンズアレイ２を、マイクロレンズの焦点距離fだけ、位置３２から離れた位置に設置すると、マイクロレンズアレイ２の一つのレンズ３１に注目したとき、プロジェクタの画素３３、３４、３５から、レンズ３１に入射した光はレンズの焦点距離ｆだけ離れた位置にある領域，すなわち，偏向支点３６に集光され，交差したあと、それぞれの方向に拡がっていく。

すると、図３の上側から下側を人が見た際に、図中３８に示す範囲が視域となり、その角度範囲内であれば、指向性の光線が目に入り、偏向支点３６の大きさの画素として、知覚されることになる。なお、本図では、便宜上プロジェクタからの画素を非常に小さな点として示しているが、実際にはある程度の大きさを有しており、レンズ３１から出射される光線は図の方に平行な光線ではなく、徐々に拡がっていく光線となるため、視域３８の範囲において、離散的ではなく、連続的な光線として知覚することが可能である。

このとき、プロジェクタから位置３２までの距離に比べ、マイクロレンズアレイ２の焦点距離fは非常に短いため、偏向支点３６は小さな領域となってしまう。

次に、図４を用いて、実施形態による拡散板の効果を説明する。図４では拡散板７をプロジェクタの結像位置かつマイクロレンズアレイ２の焦点位置である位置３２に設置している。この拡散板７はプロジェクタからの光線をわずかに（＋δ）拡散させ、画素３３、３４、３５の光線を図３に比べ、少し広くする。すると、プロジェクタからの光線は図３に比べ太い光線としてレンズ３１から出射されることとなり、偏向支点３６は図３に比べ、大きな画素として知覚されるようになる。

偏向支点が大きな画素として知覚されることが、立体映像の画質や立体感に与える影響について、図５を用いて説明する。図５(a)はプロジェクタ群１として9台のプロジェクタを用いている例で、拡散板７、マイクロレンズアレイ２に向かって、重畳投影している状態を示している。図５(b)は(a)の一つのレンズに注目した図で、プロジェクタ3台分だけ取り上げて光線の様子を示している。図５(b)中の実線、点線、破線の矢印は、それぞれ別のプロジェクタからの光線を示しており、各プロジェクタからの光線は、それぞれ偏向支点５１、５２、５３に集光されていることを示している。図５(c)は(a)の図の上から下方向を見たときのレンズアレイと偏向視点の様子の一部を示したものである。マイクロレンズアレイ２は、四角形のレンズとして敷き詰められているとすると、一つのレンズ内には9台のプロジェクタ分の９つの偏向視点が見えることとなる。このとき、横方向をx、縦方向をyとして、偏向支点の直径をDx、Dy、偏向支点の中心間の距離をPx、 Py、偏向支点間の隙間をSx、 Syとして示している。

図３で示した例のように拡散板を入れない従来の場合には、偏向支点５１、５２、５３を人の視点からみた直径（Dx、Dy）は小さくなり、偏向支点間の隙間(Sx、Sy)は大きくなる。すると、観察者は隙間を知覚してしまい、画素が粗く見え、ざらざらしたような画質として知覚し、立体感も損なわれてしまう。そのため、拡散板７を設置し、偏向支点の直径を大きくし、偏向支点間の隙間を小さくすることで、滑らかな画像として知覚されるようになり、立体感も向上させることが可能となる。

このとき、偏向支点間の隙間(Sx、Sy)を、観察者の知覚分解能以下とするとよい。観察者の知覚分解能は視力に依存し、例えば、視力1.0の人は1/60度の角度分解能がある。偏向支点間の隙間の最大値は、想定する視力とディスプレイの視距離から規定すればよい。

このような偏向支点間の隙間を実現するための、拡散板による拡散角度について説明する。なお、以下では、縦横等方な場合を想定するが、非等方の場合には、縦横で独立に考えればよく、拡散板としては、公知の非等方拡散板であるLight Shaping Diffuser (http://www。 osc-japan。com/solution/lsd08）などを用いることにより、縦横の拡散角度をコントロールすればいい。

まず、拡散板の拡散角度をδとするとき、計算に必要な要素を定義する。立体ディスプレイの視距離をL、 想定する観察者の角度分解能をα、プロジェクタの画素が結像したとき、1画素の大きさをd、 画素へ結像する光線の結像角度をθ（図４参照）、偏向支点間の距離をＰ、マイクロレンズの焦点距離をfとする。なお、画素の形状が正方形又は長方形の場合は、D,ｄは横方向（あるいは縦方向）の画素幅となる。

まず、偏向支点の大きさＤは以下の式(１)で求めることができる。

次に偏向支点間の隙間Ｓを観察者の角度分解能α以下とするためには、以下の式(２)を満たすことが必要となる。

例えば、観察者の視力1.0（角度分解能が1/60度）、視距離2mを想定すると、上式(２)から隙間Sの最大距離は約0.58mmとなる。

偏向支点間の距離Ｐはプロジェクタ配置、マイクロレンズのレンズピッチによってきまるが、偏向支点間の隙間ＳはＰを用いると、以下の式(３)により表される。

よって、拡散板による拡散角度δは以下の式(４)を満たすように決めればよいことになる。

なお、本実施例において、プロジェクタの結像範囲がマイクロレンズアレイ２の焦点深度に比べて広いため、拡散板７を設置する位置は、プロジェクタからの光線の結像位置を含むプロジェクタの焦点深度範囲内であり，マイクロレンズアレイ２の焦点位置を含む焦点深度範囲内であればよい。

また、本実施例におけるプロジェクタからの光線は混色されたフルカラーの光線を出射できる。

＜実施例２＞
次に、集光光学デバイスとしてレンチキュラレンズを用いる実施例について、図２を用いて説明する。図２では、図１のマイクロレンズアレイのかわりに、レンチキュラレンズシートを2枚（図中２０、２１）を用いている。拡散板は2枚利用し、レンチキュラレンズシート２０の焦点位置に拡散板２２を、レンチキュラレンズシート２１の焦点位置に拡散板２３を設置している。プロジェクタの結像範囲（プロジェクタからの光線の結像位置を含むプロジェクタの焦点深度範囲）はレンチキュラレンズの焦点距離に比べて十分広いため、プロジェクタ結像範囲内にレンチキュラレンズシート２０、２１、拡散板２２、２３を設置するようにすればよい。

本実施例のようにレンチキュラレンズを用いることにより、上下方向と左右方向のレンズ間隔を別々にすることが可能であり、立体視ディスプレイの用途によって、偏向支点の縦横の画素数や、偏向支点から出射される光線の縦横の数を個別にコントロールすることが可能となる。この際、縦または横の偏向支点の画素数が十分多く、上記式（４）のδの最小値が0以下の場合は、その方向には拡散する必要はない。

また、マイクロレンズアレイより低コストでレンチキュラレンズを製造できる可能性も存在する。

＜実施例３＞
別の実施例として、集光光学デバイスとして、回折効果を利用したホログラフィック光学素子を用いてもよい。ホログラフィック光学素子は上記のレンチキュラレンズのように利用することも可能であり、2方向の集光光学デバイスを組み合わせ、一枚のシートとして製作することも可能である。そのため、拡散板は一枚となり、ホログラフィック光学素子の焦点位置に設置するようにすればよい。

＜実施例４＞
次に、拡散板の拡散角度を位置によって変える実施例について、図５(a)を用いて説明する。この図では、中央の3台のプロジェクタから光線が出射されている領域を50で表現しているが、プロジェクタの重畳数が場所によって異なるように設置されていることを示している。すなわち、領域55は3台のプロジェクタからの光線が重畳されているが、領域56は2台分、領域５７は1台分のプロジェクタからの光線しか存在しない。

理想的な立体視ディスプレイとしては、全ての領域について同じ重畳数であることが望ましいが、現実においては、様々な制約条件から実現困難な場合があったり、立体視ディスプレイを利用する用途によっては問題ない場合があったりするため、このような設置の仕方も許容される。

この場合、図5(c)の1マイクロレンズあたりの偏向支点の数が変わることになり、Px、 Pyがプロジェクタの重畳数に応じて変わることとなる。そこで、拡散板の拡散角度を拡散板全体で同じにするのではなく、プロジェクタの重畳数に合わせて、前述の拡散角度δを求める式に合わせるように定義する。

本実施例によれば、場所によってプロジェクタの重畳数が変わる場合にも、画面全体に渡って、滑らかな画質を実現することが可能となる。

＜実施例５＞
次に、拡散板を集光光学デバイスと視点との間にも設置する方法について、図６を用いて説明する。本実施例では、マイクロレンズアレイ２と視点の間にも拡散板61を設置する。

拡散板7の拡散角度は小さな角度となる。そのような拡散板は製法によっては、面内の拡散角度にばらつきが発生することがある。その場合、見た目にはざらつきや、ぎらつきというように知覚される。

そこで、拡散板61によって、再度拡散させることにより、ばらつきを均一に近づける。

ここで、拡散板７を設置せず拡散板61だけを設置した場合を考えると、拡散板61では、偏向支点の大きさは変わらず、光線の拡がりが大きくなるという効果になり、隣接するプロジェクタからの光線が混ざりあうことで画像の滑らかさが実現されるため、立体映像としてはボケるように知覚される。

それに対し、拡散板７と併用することにより、拡散板61で拡散させる角度は少なくて済むため、立体映像のボケは最小限にとどめることが可能となる。

１ プロジェクタ群
２ マイクロレンズアレイ
７ 拡散板
２０、２１ レンチキュラレンズシート
２２、２３ 拡散板
３６、５１、５２、５３ 偏向支点

Claims (7)

1. 出射手段と、
   前記出射手段からの光線を集光する光学手段が複数並んだ集光光学手段と、
   前記集光光学手段と前記複数の出射手段との間に、該出射手段からの光線の広がりを大きくする拡散光学手段と、を備え、
   前記拡散光学手段の設置位置は、
   前記複数の出射手段の焦点深度を含めた結像範囲と、前記集光光学手段の焦点深度範囲との、共通する範囲内である
   ことを特徴とする裸眼立体視ディスプレイ。
2. 請求項１に記載の裸眼立体視ディスプレイにおいて，
   前記集光光学手段により一つの出射手段からの複数の画素の光線が集光され，交差する領域を偏向支点と呼ぶとき、複数の出射手段による生成される偏向支点のうち、隣り合う偏向支点の隙間が、人間の知覚分解能以下となるように、前記の拡散光学手段は、該出射手段から出射光線を広げる拡散角を有する
   ことを特徴とする裸眼立体視ディスプレイ。
3. 請求項２に記載の裸眼立体視ディスプレイにおいて，
   前記拡散手段の拡散角度をδ、当該裸眼立体視ディスプレイの視距離をL、観察者の角度分解能をα、出射手段の結像した１画素の大きさをd、 画素へ結像する光線の結像角度をθ、偏向支点間の距離をＰ、集光光学手段の焦点距離をfとしたとき，
   前記拡散角度δが以下の式を満たす
   δ >= 2 x tan^-1{(P - d - L x tan(α)) / (2 x f)} - θ
   ことを特徴とする裸眼立体視ディスプレイ。
4. 請求項１から３のいずれか一に記載の裸眼立体視ディスプレイにおいて，
   前記の集光光学手段はマイクロレンズアレイを用いる
   ことを特徴とする裸眼立体視ディスプレイ。
5. 請求項１から３のいずれか一に記載の裸眼立体視ディスプレイにおいて，
   前記の集光光学手段はレンチキュラレンズシート2枚を用い、
   レンチキュラレンズシートそれぞれに対し、拡散光学手段を設置する
   ことを特徴とする裸眼立体視ディスプレイ。
6. 請求項１または２に記載の裸眼立体視ディスプレイにおいて，
   前記の集光光学手段はホログラフィック光学素子を用いる
   ことを特徴とする裸眼立体視ディスプレイ。
7. 請求項１または２に記載の裸眼立体視ディスプレイにおいて，
   前記集光光学手段と視点との間に，第二の拡散光学手段を設置する
   ことを特徴とする裸眼立体視ディスプレイ。

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