JP2017058512A - 裸眼立体表示装置及び裸眼立体表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも立体映像の解像度と視域とを両立させることができる裸眼立体表示装置を提供する。【解決手段】裸眼立体表示装置１は、複数の画像投射装置１０と拡散部２１とレンズ部２２とを備える。複数の画像投射装置１０は水平方向に配置され、立体映像を表示させるための画像を投射する。拡散部２１は複数の画像投射装置１０から投射された画像を拡散させ、垂直帯状の視差画像４にする。レンズ部２２は立体映像を水平方向の視域の中央で観察される視差画像を構成するための画像投射装置の台数と、視域端で観察される視差画像を構成するための画像投射装置の台数と、が同じになるように、拡散部２１で垂直帯状とされた視差画像を投射光軸上の結像位置において水平方向に連続的に収束させる。【選択図】図２

Description

本発明は裸眼立体表示装置及び裸眼立体表示方法に関する。

近年、特殊な眼鏡を使用せず、裸眼で立体（三次元）映像を視認させる裸眼立体表示装置の開発が活発に行われている。

裸眼立体表示装置の課題は、立体映像の解像度と視域の両立である。視域とは、立体映像を回り込んで観察できる範囲のことである。一般的に、視域は二次元表示装置における視野角に相当する。

特許文献１には、複数のプロジェクタが水平方向に等間隔になるように二次元配置された裸眼立体表示装置が記載されている。

特許文献１に記載されている裸眼立体表示装置は、複数のプロジェクタから投射される画像をスクリーン上に重畳させ、フレネルレンズによって水平方向に連続的に収束させる装置である。観察者は、水平方向の立体視に特化した立体映像を視認することができる。

特開２００７−３０９９７５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているような従来の裸眼立体表示装置では、通常、フレネルレンズの結像特性として斜め入射については考慮されていない。そのため、視域の中央では高解像度の立体映像を視認できるものの、視域端では視差画像の欠落や破綻を生じさせてしまう。これにより、立体映像の解像度を悪化させたり、視域を狭めさせたりする。

本発明はこのような問題点に鑑み、従来よりも立体映像の解像度と視域を両立させることができる裸眼立体表示装置及び裸眼立体表示方法を提供することを目的とする。

本発明は、水平方向に配置され、立体映像を表示させるための画像を投射する複数の画像投射装置と、前記複数の画像投射装置から投射された画像を拡散させ、垂直帯状の視差画像にする拡散部と、前記立体映像を水平方向の視域の中央で観察される視差画像を構成するための画像投射装置の台数と、視域端で観察される視差画像を構成するための画像投射装置の台数と、が同じになるように、前記拡散部で垂直帯状とされた視差画像を投射光軸上の結像位置において水平方向に連続的に収束させるレンズ部と、を備えることを特徴とする裸眼立体表示装置を提供する。

また、本発明は、水平方向に配置されている複数の画像投射装置から、立体映像を表示させるための画像を投射させる投射ステップと、前記複数の画像投射装置から投射された画像を拡散させて垂直帯状の視差画像にする拡散ステップと、前記立体映像を水平方向の視域の中央で観察される視差画像を構成するための画像投射装置の台数と、視域端で観察される視差画像を構成するための画像投射装置の台数と、が同じになるように、前記拡散ステップで垂直帯状とされた視差画像を投射光軸上の結像位置において水平方向に連続的に収束させる収束ステップと、を有すること特徴とする裸眼立体表示方法を提供する。

本発明の裸眼立体表示装置及び裸眼立体表示方法によれば、従来よりも立体映像の解像度と視域を両立させることができる。

実施形態の裸眼立体表示装置を説明するための概念図である。 実施形態の裸眼立体表示装置の指向性スクリーンを説明するための概念図である。 裸眼立体表示装置のプロジェクタと指向性スクリーンと視域との水平方向における位置関係の一例を示す概念図である。 従来の裸眼立体表示装置の光線追跡図である。 実施例と比較例の裸眼立体表示装置のフレネルレンズの非球面変数の設計値を示す図である。 フレネルレンズのレンズ形状を説明するための相関図である。 画面と画面領域の関係を説明するための概念図である。 実施形態の裸眼立体表示装置の逆光線追跡図である。 実施形態の裸眼立体表示装置の光線追跡図である。 従来の裸眼立体表示装置の逆光線追跡図である。

図１に示すように、裸眼立体表示装置１は、複数のプロジェクタ（画像投射装置）１０と、指向性スクリーン２０と、を備えている。

複数のプロジェクタ１０は、水平方向に対して等間隔になるように配置されている。具体的には、複数のプロジェクタ１０は、プロジェクタ１０の外形寸法による制約から、水平方向に等間隔になるように、水平方向及び垂直方向に二次元配置されている。

各プロジェクタ１０は、それぞれの投射光軸が指向性スクリーン２０の中心に位置するようにして、画像を指向性スクリーン２０上にそれぞれ投射する。

指向性スクリーン２０は、各プロジェクタ１０から投射された画像を、それぞれ垂直帯状に拡散された視差画像にして、投射光軸上の結像位置において水平方向に連続的に収束させる。

観察者２は、結像位置を含む視域から裸眼観察することで、観察位置における視差画像を立体映像３として視認することができる。

図２は、図１において観察者２側から裸眼立体表示装置１を見たときの概念図である。

図２に示すように、指向性スクリーン２０は、プロジェクタ１０側に配置された拡散部である拡散スクリーン２１と、観察者２側に配置されたレンズ部であるフレネルレンズ２２と、を有して構成されている。

拡散スクリーン２１は、光線を拡散させる材料により構成される。拡散スクリーン２１は、拡散スクリーン２１を通過した光線を所定方向に拡散させる特性を有する。拡散スクリーン２１は、各プロジェクタ１０から投射された光線を、水平方向に微小拡散させ、垂直方向に広角拡散させることで、垂直帯状に拡散された視差画像にする。これにより、拡散スクリーン２１は、各プロジェクタ１０から投射された画像を、水平方向において分離させ、垂直方向においては観察位置にかかわらず同様の水平視差立体映像とすることができる。

各プロジェクタ１０から投射された光線による画像は、拡散スクリーン２１によって、それぞれ垂直帯状に拡散された視差画像４となる。

フレネルレンズ２２は、拡散スクリーン２１によって垂直帯状に拡散された各視差画像４を、投射光軸上の結像位置において、水平方向に連続的に収束させる。

図３に、裸眼立体表示装置１のプロジェクタ１０と指向性スクリーン２０と視域３０との水平方向における位置関係の一例を示す。複数のプロジェクタ１０は、水平方向（図３における上下方向）に等間隔になるように配置されている。なお、図３では、中央のプロジェクタ１０ａ、及び、水平方向の両端のプロジェクタ１０ｂ，１０ｃのみを表示している。

中央のプロジェクタ１０ａと水平方向端のプロジェクタ１０ｂ（１０ｃ）との距離Ｌ１は例えば２．９ｍである。水平方向の両端のプロジェクタ１０ｂ，１０ｃの距離Ｌ２は例えば５．８ｍである。
なお、複数のプロジェクタ１０の水平方向のピッチは例えば３３ｍｍであり、２０１の視差画像を表示させることができる。

各プロジェクタ１０ａ〜１０ｃの投射位置Ｐａから指向性スクリーン２０の位置Ｐｂまでの距離Ｌ３は例えば８ｍである。
水平方向端のプロジェクタ１０ｂの投射角θｂ、及び、プロジェクタ１０ｃの投射角θｃは例えば１９．９°である。

指向性スクリーン２０の位置Ｐｂから投射光軸上の結像位置Ｐｃまでの距離Ｌ４は例えば５．５１７ｍである。
結像位置Ｐｃにおける各視差画像の水平方向の視点間隔は例えば２２．８ｍｍである。

立体映像３（図１参照）を水平方向に回り込んで観察できる視域３０の水平方向の範囲Ｌ５は例えば４ｍである。
視域３０内において、指向性スクリーン２０から６．５ｍの距離で観察者２が観察する場合の視点間隔は例えば２７ｍｍである。

プロジェクタ１０ａから投射された光線３１ａ〜３１ｃは、指向性スクリーン２０で垂直帯状に拡散され、視域３０の水平方向における中央Ｐ１で収束される。
プロジェクタ１０ｂから投射された光線３２ａ〜３２ｃは、指向性スクリーン２０で垂直帯状に拡散され、視域３０の水平方向における一方の視域端Ｐ２で収束される。
プロジェクタ１０ｃから投射された光線３２ａ〜３２ｃは、指向性スクリーン２０で垂直帯状に拡散され、視域３０の水平方向における他方の視域端Ｐ３で収束される。

観察者２は、視域３０から裸眼観察することで、観察位置における視差画像を立体映像３として視認することができる。

図４は、従来の裸眼立体表示装置の光線追跡図である。図４中の符号は、図３中の符号にそれぞれ対応する。図４中の符号１０ａ，１０ｂで示す点部は、図３のプロジェクタ１０ａ，１０ｂの投射位置に相当する。図４の光線３１ｄは図３の光線３１ａ〜３１ｃに対応する。図４の光線３２ｄは図３の光線３２ａ〜３２ｃに対応する。

一般的に、従来の裸眼立体表示装置では、フレネルレンズは視域の中央で収差が生じないように設計されている。そのため、プロジェクタ１０ａから投射された光線３１ｄは、視域の中央Ｐ１に収束される。

従って、視域の中央Ｐ１では、それぞれ１つのプロジェクタによって右目用の視差画像と左目用の視差画像とを構成することができる。そのため、観察者は視域の中央Ｐ１では高解像度の立体映像を観察することができる。

しかしながら、従来の裸眼立体表示装置では、視域の中央Ｐ１から距離Ｌ６（２×Ｌ６＝Ｌ５）だけ離れた視域端Ｐ２では収差が大きくなってしまう。そのため、プロジェクタ１０ｂから投射された光線３２ｄは、視域端Ｐ２では収差の影響を大きく受け、収束されずにばらばらになって到達する。

従って、視域端Ｐ２では、それぞれ複数のプロジェクタによって右目用の視差画像と左目用の視差画像とを構成しなければならない。また、従来の裸眼立体表示装置では、フレネルレンズの結像特性としてレンズへの斜め入射については考慮されていない。

そのため、従来の裸眼立体表示装置では、視域端では視差画像の欠落や破綻により、立体映像の解像度が悪化したり、視域が狭められたりしてしまう場合がある。

そこで、実施形態の裸眼立体表示装置１では、フレネルレンズ２２が視域３０の中央Ｐ１と視域端Ｐ２とで収差のバランスを取れるように非球面設計されている。

フレネルレンズ２２は、非球面多項式である式（１）を用いて設計することができる。

なお、ＣＵＲＶは１／Ｒである。Ｒは曲率半径である。Ｋはコーニック定数（非球面係数）である。Ａは４次非球面係数である。Ｂは６次非球面係数である。Ｃは８次非球面係数である。Ｄは１０次非球面係数である。Ｙは光軸に直交する方向のレンズ距離である。Ｚはレンズ頂点からレンズ距離Ｙの位置までの光軸方向のレンズ距離である。

実施形態の裸眼立体表示装置１のフレネルレンズ２２の設計値を実施例として図５に示す。なお、図５には、比較例として、従来の裸眼立体表示装置のフレネルレンズの一般的な設計値も示している。

実施形態の裸眼立体表示装置１のフレネルレンズ２２は、非球面係数であるコーニック定数が、比較例（Ｋ＝−１．１８７３９）よりも小さい値（Ｋ＝−１．６５）に設計されている。

図６を用いて、実施形態の裸眼立体表示装置１のフレネルレンズ２２のレンズ形状（非球面形状）の実施例を説明する。なお、図６には、比較例として、従来の裸眼立体表示装置のフレネルレンズの一般的なレンズ形状（非球面形状）、及び、球面形状を示している。

図６に示す非球面曲線は、式（１）、及び、図５に示すレンズ設計値により導出される。図６の横軸は、式（１）中の符号Ｙ（光軸に直交する方向のレンズ距離）である。図６の縦軸は、式（１）中の符号Ｚ（レンズ頂点からレンズ距離Ｙの位置までの光軸方向のレンズ距離）である。

図６に示すように、比較例のフレネルレンズは球面よりも緩やかなレンズ形状を有する。
実施形態の裸眼立体表示装置１のフレネルレンズ２２は、光線のレンズへの斜め入射について考慮されているため、比較例よりもさらに緩やかなレンズ形状を有している。

上述のとおり、実施形態の裸眼立体表示装置１では、フレネルレンズ２２が視域の中央と視域端とで収差のバランスを取れるように非球面設計されている。そのため、視域端での視差画像を構成するためのプロジェクタ１０を従来よりも少ない台数で構成することができる。

その理由について、実施形態の裸眼立体表示装置１と従来の裸眼立体表示装置とに対する逆光線追跡、光線追跡によるシミュレーションの結果に基づいて説明する。なお、逆光線追跡とは、所定の目的物に対して受光される光線を追跡することであり、光線追跡とは、光源から様々な方向に向かう多数の光線を追跡することである。逆光線及び光線を追跡することにより、所定の装置から照射される光線や受光する光線の特性を解析することができる。

図７及び図８を用いて、実施形態の裸眼立体表示装置１に対する逆光線追跡について説明する。

図７に示すように、例えば視差画像がアスペクト比１６：９の画面Ｓ４０で構成されている場合、画面Ｓ４０を構成する水平方向の全光線を例えば２５本とする。
それに対して、視域３０（図３参照）において主要な立体映像を視認するために必要な画面領域Ｓ４１を、例えばアスペクト比４：３の領域とすると、画面領域Ｓ４１を構成する水平方向の光線は例えば１９本となる。

そこで、視差画像における画面領域Ｓ４１を構成するための実施形態の裸眼立体表示装置のプロジェクタの台数を、図８に示す逆光線追跡から導出する。図８中の符号は、図４中の符号にそれぞれ対応する。

光線３１ｅは、視域の中央Ｐ１を基準にして逆光線追跡したものである。

逆光線追跡により、視域の中央Ｐ１において画面領域Ｓ４１（図７参照）を構成する水平方向の光線幅（光線１９本分）に対応するプロジェクタ１０の水平方向の配置幅Ｗ４１は１１５０ｍｍとなる。なお、複数のプロジェクタ１０の水平方向の間隔は例えば３３ｍｍである。

従って、視域の中央Ｐ１では、画面領域Ｓ４１を対象としたときの視差画像は、３５台のプロジェクタ１０によって構成される。

光線３２ｅは、視域端Ｐ２を基準にして逆光線追跡したものである。

逆光線追跡により、視域端Ｐ２において画面領域Ｓ４１を構成する水平方向の光線幅に対応するプロジェクタ１０の水平方向の配置幅Ｗ４２は１１５０ｍｍとなる。

従って、視域端Ｐ２では、画面領域Ｓ４１を対象としたときの視差画像は、３５台のプロジェクタ１０によって構成される。

よって、実施形態の裸眼立体表示装置１では、逆光線追跡により、視域の中央Ｐ１で観察される視差画像、及び、視域端Ｐ２で観察される視差画像が、いずれも同じ台数（３５台）のプロジェクタ１０によって構成されるように、フレネルレンズ２２が非球面設計されている。

図９は、実施形態の裸眼立体表示装置１の光線追跡図である。図９中の符号は、図８中の符号にそれぞれ対応する。

図８は視域の中央Ｐ１及び視域端Ｐ２を基準にして逆光線追跡したものである。それに対し、図９はプロジェクタ１０ａ，１０ｂを基準にして光線追跡したものである。
図９の光線３１ｆは図８の光線３１ｅに対応する。図９の光線３２ｆは図８の光線３２ｅに対応する。なお、図８の光線３２ｆは図９の光線３２ｆと同じである。

図９に示すように、実施形態の裸眼立体表示装置１は、視域の中央Ｐ１と視域端Ｐ２とで収差のバランスが取れるようにフレネルレンズ２２が設計されている。
そのため、視域の中央Ｐ１で観察される視差画像と、視域端Ｐ２で観察される視差画像とは、ほぼ同じ台数（３５台）のプロジェクタ１０によって構成される。

［比較例］
図１０を用いて、実施形態の裸眼立体表示装置１の比較例として、従来の裸眼立体表示装置を説明する。

従来の裸眼立体表示装置のフレネルレンズも実施形態の裸眼立体表示装置１のフレネルレンズ２２と同様に、式（１）、及び、図５に示す設計値により設計することができる。

図１０は、比較例の裸眼立体表示装置の逆光線追跡図である。図１０中の符号は、図４中の符号にそれぞれ対応する。

図４はプロジェクタ１０ａ，１０ｂを基準にして光線追跡したものである。それに対し、図１０は視域の中央Ｐ１及び視域端Ｐ２を基準にして逆光線追跡したものである。

図１０の光線３１ｇは図４の光線３１ｄに対応する。図１０の光線３２ｇは図４の光線３２ｄに対応する。なお、図１０の光線３２ｄは図４の光線３２ｄと同じである。

そこで、視差画像における画面領域Ｓ４１（図７参照）を構成するための従来の裸眼立体表示装置のプロジェクタの台数を、図１０に示す逆光線追跡から導出する。

光線３１ｇは、視域の中央Ｐ１を基準にして逆光線追跡したものである。従来の裸眼立体表示装置では、フレネルレンズは視域の中央で収差が生じないように設計されている。そのため、光線追跡による光線３１ｄと逆光線追跡による光線３１ｇとは一致する。

従って、視域の中央Ｐ１では、画面領域Ｓ４１を対象としたときの視差画像は、１台のプロジェクタ１０によって構成される。

光線３２ｇは、視域端Ｐ２を基準にして逆光線追跡したものである。
逆光線追跡により、視域端Ｐ２において画面領域Ｓ４１を構成する水平方向の光線幅（光線１９本分）に対応するプロジェクタ１０の水平方向の配置幅Ｗ４３は１９６０ｍｍとなる。なお、複数のプロジェクタ１０の水平方向の間隔は例えば３３ｍｍである。

従って、視域端Ｐ２では、画面領域Ｓ４１を対象としたときの視差画像は、５９台のプロジェクタ１０によって構成される。

よって、比較例の裸眼立体表示装置は、視域端Ｐ２では多数（５９台）のプロジェクタ１０を用いて視差画像を構成しなければならない。そのため、視域の中央では高解像度の裸眼立体映像を視認できるものの、視域端では視差画像の欠落や破綻により、立体映像の解像度を悪化させたり、視域を狭めたりしてしまう。

以上のように、本実施形態の裸眼立体表示装置では、フレネルレンズが視域の中央と視域端とで収差のバランスを取れるように非球面設計されている。そのため、視域端での視差画像を構成するためのプロジェクタを従来よりも少ない台数で構成することができる。
これにより、視域端での視差画像の欠落や破綻を抑制し、従来よりも立体映像の解像度と視域を両立させることができる。

なお、本発明に係る実施形態は、上述した構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１ 裸眼立体表示装置
１０ プロジェクタ（画像投射装置）
２０ 指向性スクリーン
２１ 拡散スクリーン（拡散部）
２２ フレネルレンズ（レンズ部）

Claims (3)

1. 水平方向に配置され、立体映像を表示させるための画像を投射する複数の画像投射装置と、
   前記複数の画像投射装置から投射された画像を拡散させ、垂直帯状の視差画像にする拡散部と、
   前記立体映像を水平方向の視域の中央で観察される視差画像を構成するための画像投射装置の台数と、視域端で観察される視差画像を構成するための画像投射装置の台数と、が同じになるように、前記拡散部で垂直帯状とされた視差画像を投射光軸上の結像位置において水平方向に連続的に収束させるレンズ部と、
   を備えることを特徴とする裸眼立体表示装置。
2. 前記レンズ部は、視域の中央と視域端とで収差のバランスが取れるように非球面形状を有し、視域の中央で収差が生じないように設計されているフレネルレンズよりもコーニック定数が小さい値になるように設計されていることを特徴とする請求項１に記載の裸眼立体表示装置。
3. 水平方向に配置されている複数の画像投射装置から、立体映像を表示させるための画像を投射させる投射ステップと、
   前記複数の画像投射装置から投射された画像を拡散させて垂直帯状の視差画像にする拡散ステップと、
   前記立体映像を水平方向の視域の中央で観察される視差画像を構成するための画像投射装置の台数と、視域端で観察される視差画像を構成するための画像投射装置の台数と、が同じになるように、前記拡散ステップで垂直帯状とされた視差画像を投射光軸上の結像位置において水平方向に連続的に収束させる収束ステップと、
   を有すること特徴とする裸眼立体表示方法。

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