JP2016161912A - 投射型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多人数で同時に３Ｄ画像を鑑賞することができる投射型映像表示装置を提供する。【解決手段】レンズを挟んで映像を見る観察者と反対側に映像を投射する複数のプロジェクタを備え、観察者側の視点で複数のプロジェクタが投射した映像のうち２つ以上の映像を同時に見ることができるようにした。観察者の視点を移動させた場合に、重なり合って見える２つ以上のプロジェクタが投射する映像の各プロジェクタの光量の比率の合計が一定であるようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、映像を投射するプロジェクタで、連続的な運動視差のある裸眼３Ｄ（３次元）映像を表示可能な投射型映像表示装置に関する。

観察者の視点位置に応じて異なった映像を表示する裸眼３Ｄディスプレイは、３Ｄメガネ等の特殊なデバイスを使用することなくリアルな映像を観察することができ、エンターテインメントや映像コミュニケーション等で極めて重要な技術である。

レンチキュラーレンズにより、方向に応じて異なる画像を表示する表示装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

鋭い指向性の画像を提示することにより、視点位置の変化に追随して滑らかに変化する画像を提示する手法が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。この手法では、多数のプロジェクタと映像ソースが必要であり、表示装置の構成は大規模である。多数の映像ソースが必要ということは、実写の場合で特殊な映像処理を行わない場合映像ソースの数だけカメラが必要となる。そこで、できるだけ少ない指向性数で視点移動に対してなめらかに変化する映像を提示することが求められていた。

上記の課題を解決するために、人間の視覚特性を考慮し、隣接カメラの映像を適切に混合することで、比較的少ない数のカメラでも連続的な運動視差（視点移動に対する映像のなめらかな変化）が得られることが示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１２−２３７７９８号公報 特開２０１４−１３８３０６号公報

岩澤 昭一郎，"世界初！２００インチ自然裸眼立体視ディスプレイによる立体視の実現"，ｐｐ．１−４，ＮＩＣＴ ＮＥＷＳ Ｎｏ．４１０，２０１１年１１月

しかしながら、特許文献２の発明による表示装置では、２眼式の３Ｄ表示とヘッドトラッキングを使用して実現することになり、３Ｄメガネという専用の器具を装着しなければいけないという問題がある。また、多人数で同時に同じ映像を鑑賞することができないという問題もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、専用の器具を用いることなく、多人数で同時に３Ｄ画像を鑑賞することができる投射型映像表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、レンズを挟んで映像を見る観察者と反対側に前記映像を投射する複数のプロジェクタを備え、前記観察者側の視点で前記複数のプロジェクタが投射した映像のうち２つ以上の映像を同時に見ることができるようにしたことを特徴とする。

本発明は、前記観察者の視点を移動させた場合に、重なり合って見える２つ以上のプロジェクタが投射する映像の各プロジェクタの光量の比率の合計が一定であることを特徴とする。

本発明は、前記プロジェクタの絞りの開口部の透過率が、前記観察者から見える場所によって異なることを特徴とする。

本発明は、前記絞りの開口部の透過率が、垂直方向には均一で、水平方向には透過率が線形に変化していることを特徴とする。

本発明は、前記プロジェクタの絞りをひし形の形状とし、前記レンズに縦方向に光を拡散する異方性拡散体をさらに備えたことを特徴とする。

本発明は、前記プロジェクタの映像を前記異方性拡散体に結像するよう前記プロジェクタの焦点が調整されていることを特徴とする。

本発明は、前記レンズの焦点距離が、前記プロジェクタの絞りを観察視点位置に結像するように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、専用の器具を身につける必要がなく、多人数で同時に３Ｄ画像を鑑賞することができるという効果が得られる。

本発明の第１実施形態の構成を示すブロック図である。 図１に示すプロジェクタ１〜９のレンズ１２に設けた絞りの構成を示す説明図である。 図１に示すプロジェクタの配置の説明図である。 観察者の横方向の位置と、各プロジェクタからの輝度の割合を示す説明図である。 観察する角度に応じた輝度の分布を示す図である。 観察する角度に応じた輝度の分布を示す図である。 本発明の第２実施形態による投射型映像表示装置の構成を示すブロック図である。 プロジェクタ１〜９のレンズ１２に設けた絞りの説明図である。 プロジェクタ１〜９の配置例を示す説明図である。 絞り開口と上下方向への広がりのコンボリューションとなるような輝度分布を示す説明図である。

＜第１実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態による投射型映像表示装置を説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、第１のレンズ２０（プロジェクタに備えるレンズと区別するため、第１のレンズと称する）の観察者３０から見て反対側に複数のプロジェクタ１〜９を設け、レンズ１２を介した映像を観察者が見る構造である。

なお、本図では分かりやすくするため、一部のプロジェクタ（ここでは、プロジェクタ２、３、５、６、８、９）を破線で記載している。また複数のプロジェクタ１〜９はハーフミラー（非図示）により、光軸な同一面内となるように設計されている。プロジェクタ１〜９は発光画像による表示部１１とレンズ１２を備え、発光画像の像を所定の位置に結像する。図１に示すようにプロジェクタ１〜９の光軸はそれぞれ異なっている。

第１のレンズ２０はプロジェクタ１〜９のレンズ１２の絞りを観察者側のある１面に結像する。観察者３０はこの面に視点があるとき本装置の効果を最も享受できるが、前後方向に多少移動してもその効果は損なわれない。また、プロジェクタ１〜９のレンズ１２は観察者３０が像を感じるべき奥行き位置に結像するように焦点を合わせてある。

次に、図２を参照して、プロジェクタ１〜９のレンズ１２に設けた絞りの構成を説明する。図２はプロジェクタ１〜９のレンズ１２に設けた絞りの構成を示す説明図である。プロジェクタ１〜９の絞りのレンズ１２を図２に示すように、鉛直方向には一定の透過率で、水平方向には線形に透過率が変化するものを使用した。このような光学特性は、ガラス基板に光吸収性の材料や反射性の材料を場所により異なる厚さで蒸着したり、材料の面積を変えて蒸着したりすることにより実現できる。

次に、図３を参照して、図１に示すプロジェクタ１〜９の配置を説明する。図３はプロジェクタの配置を示す説明図である。プロジェクタ１〜９の筐体の図示は省略してある。水平方向に隣接するプロジェクタの絞りが半分ずつ重なるようにハーフミラーにより合成されるようになっている。

次に、図４を参照して、観察者の横方向の位置と、各プロジェクタからの輝度の割合を説明する。図４は、観察者３０の横方向の位置と、各プロジェクタ１〜９からの輝度の割合を示す説明図である。観察者３０の位置に絞りの像が結像されているので、各プロジェクタ１〜９からの光の分布は絞りの透過率に比例する。図４では絞りの像が重なってわかりにくくなるため便宜的に絞りを上下にずらして記載してあるが、絞りは半分ずつずれているので、各視点位置から見た画像は絞りからの光の重ね合わせとなり図４の下記グラフに示されるように、光量の合計は一定値でプロジェクタ間の比率が線形に変化することとなる。

本構成では、２つの映像のクロストークを積極的に発生させており、一般の３Ｄ表示では２重像が著しく画質を低下させるが、隣接する表示画像間の差が小さい場合に、視点移動に対し連続的な映像変化を示す。出願人が既に出願している特願２０１３−２６６７５１号に示されると同様な現象により、隣接するカメラ間の視差が小さい映像を提示することによりなめらかな運動視差を裸眼で提示することができる。

ここで、特願２０１３−２６６７５１号に記載されている現象について簡単に説明する。図５は、観察する角度に応じた輝度の分布を示す図である。すなわち、図５は、投射型映像表示装置の表示特性を示す図である。縦軸は、指向性画像の輝度を示す。横軸は、指向性画像を観察する角度（観察角度）を示す。最上段は、プロジェクタ１による画像の輝度の分布を示す。上から２段目は、プロジェクタ２による画像の輝度の分布を示す。上から３段目は、プロジェクタ３による画像の輝度の分布を示す。最下段は、プロジェクタ１〜３による画像の輝度の分布を示す。

プロジェクタ２による画像の輝度は、表示領域２−２を二等分する観察角度で、最も高い値となっている。一方、プロジェクタ２による画像の輝度は、画像を観察する角度に応じて直線的に低くなり、表示領域２−２に隣接する表示領域２−１を二等分する観察角度で、所定閾値以下（例えば、輝度値０）となっている。また、プロジェクタ２による画像の輝度は、画像を観察する角度に応じて直線的に低くなり、表示領域２−２に隣接する表示領域２−３を二等分する観察角度で、所定閾値以下となっている。

プロジェクタ１による画像の輝度と、プロジェクタ３による画像の輝度とについても同様である。例えば、図５に示すように、プロジェクタ２に着目すると、表示領域２−２の中心において輝度が最大値を示し、隣接する表示領域２−１及び２−３の中心で０となりその間の輝度変化は線形となっている。

図６は、二つの画像の加重平均と輪郭位置の関係を示す図である。隣接視点間での画像のずれの幅が３[ａｒｃ ｍｉｎ．]程度の小さい値となるように指向性画像を表示した場合には図６に示すように輪郭位置が加重比が０〜１の間では直線的かつ連続的に変化するため、視点位置にあった適切な輪郭位置の画像が生成された。すなわち、画像のずれが小さい二つの画像を線形に変化する比率で結ぶことにより、忠実に中間視点の画像が知覚される。

混合部が、表示領域２−１〜２−３について、プロジェクタ１〜９毎の指向性画像の輝度の分布を、線形の混合比率で混合することにより、表示領域２−１〜２−３が滑らかに連結されることになる。なお、混合比率は、輝度の分布が線形変化する比率に限る必要は無く、視点移動に対する画像の変化が許容範囲であれば、線形変化からはずれた滑らかな輝度の分布を用いてもよい。

絞りとして水平方向だけでなく、垂直方向にも線形変化するグラデーションの透過率をもつ絞りを使用し、ハーフミラー等で重畳することで上下方向にも絞りの像を半分ずつずらして提示することで、水平、垂直共に滑らかな運動視差を表現可能な表示装置を実現できることはいうまでもない。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態による投射型映像表示装置を説明する。図７は第２実施形態による投射型映像表示装置の構成を示すブロック図である。第２実施形態による投射型映像表示装置では、第１のレンズ２０の観察者３０から見て反対側に複数のプロジェクタ（ここでは、プロジェクタ１〜９）を設け、第１のレンズ２０および拡散体４０を介した映像を観察者３０が見る構造である。

なお、本図では分かりやすくするためプロジェクタの一部は破線で表現している。プロジェクタ１〜９は発光画像による表示素子１１１とレンズ１２を具備し、発光画像の像を所定の位置に結像する。第１のレンズ２０はプロジェクタ１〜９のレンズの絞りを観察者側のある１面に結像する。観察者３０はこの面に視点があるとき本装置の効果を最も享受できるが、前後方向に多少移動してもその効果は損なわれない。また、プロジェクタ１〜９のレンズ１２は、レンズ１２と第１のレンズ２０との間に配置された拡散体４０に結像するように焦点を合わせる。

拡散体４０は垂直方向に光を拡散し水平方向には光を拡散しない異方性拡散体として水平方向１度垂直方向６０度の拡散体を使用した。第１のレンズ２０としては、２枚の凸レンズの組を使用し、拡散体４０をその中間に配置した。第１のレンズの２枚目は図示を省略している。

次に、プロジェクタ１〜９のレンズ１２に設けた絞りについて説明する。図８は、図７に示すプロジェクタ１〜９のレンズ１２に設けた絞りの説明図である。プロジェクタ１〜９の絞りのレンズを図８に示すように、水平方向に対し、垂直方向の開口量が線形に変化する構造のものを使用した。このような光学特性は、金属板等の不透明な板に穴加工を施すことにより容易に実現できる。

また、絞り形状は図８（ａ），（ｂ），（ｃ）のように様々な形状が可能だが、（ａ）のように周辺部で上下方向の中心を使用する形状が、レンズの口径を最大限有効に使うことができる。図８（ａ；ひし形）、（ｂ；平行四辺形）、（ｃ；三角形）において、鉛直方向には開口部の長さを表している。

次に、プロジェクタ１〜９の配置例を説明する。図９はプロジェクタ１〜９の配置例を示す説明図である。ここでは、プロジェクタ１〜９の筐体の図示は省略してある。水平方向に隣接するプロジェクタ１〜９の絞りが垂直方向に半分ずつ重なるように配置した。

この構成では、プロジェクタ１〜９からの光が垂直方向に拡散されるので、観察者３０がいる面に結像される像も垂直方向に拡散される。すなわち、絞り開口と上下方向への広がりのコンボリューションとなり、図１０に示すような輝度分布となる。この輝度のグラデーションの輝度は絞りの垂直方向の開口に比例するので、図８に示したような開口を使用すれば線形のグラデーションとなる。したがって、図４と同様の効果を奏することができ、水平方向に滑らかな運動視差を表現することができる。

本願のレンズは単レンズだけに限定されるものではなく、組み合わせレンズ、フレネルレンズ、グリンレンズ、ゾーンプレート等光を結像するレンズ機能をもつものであればよいこととは言うまでもない。

本願の拡散体４０は第一のレンズ２０の手前に設置しても奥に配置しても、第１レンズを構成するレンズ群の間に配置してもよい。また、異方性拡散体としてＬＳＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｓｈａｐｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｅｒ、レンズ拡散板）を使用したがレンチキュラーレンズ等を使用してもよい。
なお、図１、図７においては、観察者３０は１人の場合を示しているが、観察者３０が複数人であってもよい。この場合であっても同時に同様に映像を鑑賞することが可能となる。

以上説明したように、前述した投射型映像表示装置により、少数の指向性映像ソースで３Ｄメガネのような特殊なデバイスを装着することなしに多人数で同時使用可能ななめらかな運動視差を提示可能な裸眼３Ｄ表示装置を実現することができる。

前述した実施形態における投射型映像表示装置の全部または一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されるものであってもよい。

以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明してきたが、上記実施の形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行ってもよい。

多人数で同時に３Ｄ画像を鑑賞することが不可欠な用途に適用できる。

１〜９・・・プロジェクタ、１１、１１１・・・表示部、１２・・・レンズ、２０・・・第１のレンズ、３０・・・観察者、４０・・・拡散体

Claims (7)

1. レンズを挟んで映像を見る観察者と反対側に前記映像を投射する複数のプロジェクタを備え、
   前記観察者側の視点で前記複数のプロジェクタが投射した映像のうち２つ以上の映像を同時に見ることができるようにしたことを特徴とする投射型映像表示装置。
2. 前記観察者の視点を移動させた場合に、重なり合って見える２つ以上のプロジェクタが投射する映像の各プロジェクタの光量の比率の合計が一定であることを特徴とする請求項１に記載の投射型映像表示装置。
3. 前記プロジェクタの絞りの開口部の透過率が、前記観察者から見える場所によって異なることを特徴とする請求項１または２に記載の投射型映像表示装置。
4. 前記絞りの開口部の透過率が、垂直方向には均一で、水平方向には透過率が線形に変化していることを特徴とする請求項３記載の投射型映像表示装置。
5. 前記プロジェクタの絞りをひし形の形状とし、前記レンズに縦方向に光を拡散する異方性拡散体をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の投射型映像表示装置。
6. 前記プロジェクタの映像を前記異方性拡散体に結像するよう前記プロジェクタの焦点が調整されていることを特徴とする請求項５記載の投射型映像表示装置。
7. 前記レンズの焦点距離が、前記プロジェクタの絞りを観察視点位置に結像するように設定されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の投射型映像表示装置。