JP2017151202A - 立体映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで画質の劣化を抑え、インテグラル立体映像の品質を向上させる立体映像表示装置を提供すること。【解決手段】立体映像表示装置は、インテグラル式の立体映像を表示する立体映像表示装置であって、立体映像のうちの一部分を再現する部分立体映像の要素画像をそれぞれ表示する、同一平面上に並べられる複数のディスプレー２０と、複数のディスプレー２０の表示部の前にそれぞれ配置され、表示部に表示された要素画像からの光が入射する複数のレンズアレー５０と、複数のレンズアレー５０の光出射側にそれぞれ配置され、互いに隣接するように並べられて、入射光を拡大する複数の拡大光学系３０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、立体映像表示装置に関し、特にインテグラル式の立体映像表示装置に関するものである。

インテグラル立体映像表示装置は、特殊な眼鏡が不要で裸眼による立体視が可能な３次元映像表示デバイスである。図６（ａ）に示すように、従来のインテグラル立体映像表示装置９は、液晶パネルなどの直視型ディスプレーＰと、その直視型ディスプレーＰの前面に配置されたレンズアレーＬ_Aと、を備える。このレンズアレーＬ_Aは、図６（ｂ）に示すように、要素レンズＬ_Pが２次元状に配列されたものである。また、図６（ａ）に示すように、要素レンズＬ_Pと、要素画像Ｇとが対応しており、要素レンズＬ_Pにより要素画像Ｇが空間中に投影されて、立体映像Ｚが形成される。

インテグラル立体映像において、立体映像の画素数、視域及び奥行き再現範囲を向上させるためには、直視型ディスプレーＰに非常に多くの画素数の映像（要素画像）を表示させる必要がある。ところが、現時点において、スーパーハイビジョンを超える画素数の直視型ディスプレーＰが存在しない。そのため、単体の直視型ディスプレーＰでは、インテグラル立体映像の品質を向上させることが困難である。そこで、複数の直視型ディスプレーＰを用いて、多画素化する技術が必要となる。なお、多画素化とは、要素画像を構成する画素（要素画素）の画素数を増加させることを言い、また、その結果として単独のディスプレー及びレンズアレーで再生される立体映像の画素数に比べて立体映像の画素数を増加させることを言う。

N. Okaichi, M. Miura, J. Arai and T. Mishina, "Integral 3D display using multiple LCDs", Proc. SPIE, vol. 9391, 939134 (2015) 岡市直人、三浦雅人、洗井淳、河北真宏、三科智之、「複数の8K液晶パネルを用いたインテグラル立体映像表示」、映像情報メディア学会技術報告、2015年10月、vol. 39、no. 36、pp.1-4

複数のディスプレーにそれぞれ表示された映像を結合して多画素化を図る際には以下の問題がある。すなわち、複数のディスプレーをそのまま並列に配置すると、各ディスプレーにベゼル部分（枠）が存在するため、そのベゼル部分で映像（２次元映像）の切れ目が生じ、それにより再生される立体映像にも同様の切れ目が生じてしまう。この問題に対して、現時点では、ベゼル部分が存在しないディスプレーを製造することは容易ではない。そのため、ベゼル部分が存在する通常のディスプレーを利用することを念頭に、複数のディスプレーにそれぞれ表示された映像をシームレスに結合する手法を開発する必要がある。

こうした事情から、これまで、本願発明者らは、各ディスプレーに表示された映像を拡大結像させて結合する光学系を用いる手法を提案してきた（非特許文献１、非特許文献２参照）。この従来の立体映像表示装置の構成を図４に示す。この立体映像表示装置１００は、複数のディスプレー１２０と、複数の拡大光学系１３０と、拡散板１４０と、レンズアレー１５０と、を備えている。

同一平面上に並べられた各ディスプレー１２０は、表示部１２２と、ベゼル部分（枠）１２４と、を有している。各ディスプレー１２０は、直視型ディスプレーであり、バックライトとして機能する平行光投射装置１１０から投射される平行光により、当該ディスプレーの配置に応じた映像（要素画像）を表示する。

複数の拡大光学系１３０は、それぞれがディスプレー１２０に対応するように同一平面上に所定間隔をあけて並べられている。拡大光学系１３０は、ディスプレー１２０の前に配置されており、ディスプレー１２０の表示部１２２に表示される映像の光が入射できるように表示部１２２のサイズと同じか若干大きく形成されている。各拡大光学系１３０は、ディスプレー１２０に表示された映像（要素画像）をそれぞれ拡大する。

拡散板１４０は、複数の拡大光学系１３０の全体のサイズよりも大きく形成されている。拡散板１４０は、拡大光学系１３０による映像の結像位置に置かれている。これにより、拡散板１４０上で複数の拡大像（２次元画像）が結合されて、この結合された像が、多画素化された要素画像となる。

レンズアレー１５０は、２次元に配列された要素レンズ１５２で構成されており、拡散板１４０から拡散される映像の光が入射できるように拡散板１４０のサイズと同じか若干大きく形成されている。このレンズアレー１５０は、拡散板１４０の前方に配置されており、拡散板１４０で多画素化された要素画像からインテグラル立体映像を再生する。

前記した拡大光学系１３０の一例として、図５に示すように、両凸レンズで構成した２組のレンズアレー１３２Ａ，１３２Ｂと、凹フレネルレンズ１３６と、を組み合わせた光学系が用いられる。ここで、レンズアレー１３２Ａはディスプレー１２０の側に配置されており、凹フレネルレンズ１３６が拡散板１４０の側に配置されており、レンズアレー１３２Ｂがレンズアレー１３２Ａと凹フレネルレンズ１３６との間に配置されている。なお、レンズアレー１３２Ａ、１３２Ｂは、２次元に配列された要素レンズ１３４で構成される。このような構成により、拡大光学系１３０は、被写体の正立等倍像を拡大する正立拡大光学系として機能する。

なお、このとき、ディスプレー１２０に表示された映像の光が、レンズアレー１３２Ａとレンズアレー１３２Ｂとの中間の位置に集光できるように、ディスプレー１２０をレンズアレー１３２Ａから離間して配置される。また、拡散板１４０は、凹フレネルレンズ１３６の結像位置に配置される。

ところが、拡大光学系１３０が、図５に示すような２つのレンズアレー１３２Ａ、１３２Ｂを用いるような複雑な構成になっていると、高度な加工精度と精密な軸合わせが要求される。そのため、拡大光学系１３０が複雑な構成になっていると、立体映像表示装置１００において十分な解像度特性を引き出すためには大きなコストがかかる。また、立体映像表示装置１００では、拡大像を結像位置で結合するために拡散板１４０を配置する必要がある。拡散板１４０の位置で２次元の拡大像を精度よく結合することは容易ではなく、このことも立体映像の品質（画質）の低下を招く要因となる。そのため、従来の立体映像表示装置１００には改良の余地があった。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、低コストで画質の劣化を抑え、インテグラル立体映像の品質を向上させる立体映像表示装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る立体映像表示装置は、インテグラル式の立体映像を表示する立体映像表示装置であって、前記立体映像のうちの一部分を再現する部分立体映像の要素画像をそれぞれ表示する、同一平面上に並べられる複数のディスプレーと、前記複数のディスプレーの表示部の前にそれぞれ配置され、前記表示部に表示された要素画像からの光が入射する複数のレンズアレーと、前記複数のレンズアレーの光出射側にそれぞれ配置され、互いに隣接するように並べられて、入射光を拡大する複数の拡大光学系と、を備える構成とする。

かかる構成によれば、立体映像表示装置では、ディスプレーが部分立体映像の要素画像を表示する。そして、各ディスプレーの表示部の前にレンズアレーを備えるので、個々のレンズアレーによって、ディスプレー毎に、その配置に応じた部分立体映像を再生する。そして、立体映像表示装置では、各レンズアレーの光出射側に備える拡大光学系によって、この部分立体映像をそれぞれ拡大する。その際に、拡大光学系は互いに隣接するように並べられているので、各拡大光学系の位置で入射光である映像を結合することができ、各拡大光学系でそれぞれが拡大された部分立体映像同士が結合されて出射するので、高解像度の拡大された立体映像を表示することができる。

本発明に係る立体映像表示装置によれば、拡散板を設ける必要がなく、低コストで画質の劣化を抑え、インテグラル立体映像の品質を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る立体映像表示装置の構成を表す概略図である。 図１の拡大光学系の構成を側面から表す概略図である。 立体映像の拡大を説明する説明図である。 従来技術に係る立体映像表示装置の構成例を表す概略図である。 図４の拡大光学系の構成例を表す概略図である。 従来のインテグラル立体映像表示装置を説明する説明図である。

［立体映像表示装置の構成］
図１を参照し、本発明の実施形態に係る立体映像表示装置１の構成について、説明する。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。図１に示すように、立体映像表示装置１は、インテグラル式で立体映像を表示するものであり、ディスプレー２０と、レンズアレー５０と、拡大光学系３０とからなる組を複数備えている。

以下では、一例として４個のディスプレー２０が同一平面上に上下左右に並ぶように配置されているものとして説明する。これら４つのディスプレー２０は、互いに密着するように並列に配置される。各ディスプレー２０は、表示部２２と、ベゼル部分（枠）２４と、を有している。表示部２２は、映像（要素画像）を表示する部分である。ベゼル部分２４は、表示部２２の周囲に形成されており、映像が表示されることはない。

各ディスプレー２０は、液晶パネルなどの直視型ディスプレーであり、バックライトとして機能する拡散光投射装置１０から投射される拡散光により、映像（要素画像）を表示する。このディスプレー２０としては、スーパーハイビジョン（７６８０×４３２０画素）の透過型液晶ディスプレーが好適に用いられる。

ディスプレー２０は、当該ディスプレーの配置に応じた映像（要素画像）を表示する。ここで、ディスプレーの配置に応じて表示される要素画像とは、それぞれのディスプレー２０及びレンズアレー５０により再生される４つのインテグラル立体映像を互いに結合した際に形成される１つのインテグラル立体映像が四分割されたシーンの要素画像のことである。つまり、最終的に表示したい表示対象の立体映像のうちの一部分を再現する部分立体映像を再生表示するための要素画像のことである。

具体的には、最終的に表示したい立体映像が図１に示すような人物の場合、観察方向からみて左上のディスプレー２０に表示される要素画像は、当該人物の右上半身を主体とする部分的な立体映像を再生するための要素画像である。
同様に、右上のディスプレー２０には当該人物の左上半身、左下のディスプレー２０には当該人物の右下半身、右下のディスプレー２０には当該人物の左下半身、を主体とする部分的な立体映像を再生するための要素画像がそれぞれ表示される。

ここで、ディスプレー２０が表示する要素画像について、簡単に説明する。
例えば、一般的なＩＰ立体カメラで被写体を撮影し、取得した要素画像群をディスプレー２０と同数（４個）に分割する。分割した要素画像群を表示部２２の大きさに合わせて拡大することで、部分立体映像に対応した要素画像を生成できる。そして、各ディスプレー２０は、それぞれの配置に対応した要素画像を表示する。

各ディスプレー２０の前面には、レンズアレー５０がそれぞれ配置されている。
レンズアレー５０は、２次元に配列された要素レンズ５２で構成されている。レンズアレー５０には、要素レンズ５２が平面方向に整列した状態で配置されている。レンズアレー５０のサイズは、ディスプレー２０の表示部２２のサイズと同程度である。なお、図２及び図３では、一次元で８個の要素レンズ５２を図示したが、要素レンズの個数は任意であり、典型的には数万以上となる。

レンズアレー５０は、ディスプレー２０の表示部２２の近傍に配置されており、表示部２２に表示された要素画像からの光が入射する。これにより、インテグラル立体映像を再生することができる。なお、この時点で１組のディスプレー２０及びレンズアレー５０により再生されるインテグラル立体映像は、ここでは、取得した要素画像群を４つのディスプレー２０により四分割しているので、最終的な立体映像を四分割した部分的な立体映像である。

レンズアレー５０は、ディスプレー２０の表示部２２に当接するように配置されることが好ましい。このように構成することで、ディスプレー２０の表示部２２に対してレンズアレー５０が固定されて位置ずれを防止できる。

本実施形態では、一例として、要素レンズ５２が平凸レンズであるものとして、平面の側をディスプレー２０の表示部２２に接着することで当接した。なお、要素レンズ５２の形状は円形に限らず、正方形でもよい。また、要素レンズ５２の配列は、正方格子状（グリッド構造）であるものとしたが、俵積状いわゆるラインオフセット状に配列してもよい。

各レンズアレー５０の前面には、拡大光学系３０がそれぞれ配置されている。
４個の拡大光学系３０は、それぞれがディスプレー２０及びレンズアレー５０に対応するように同一平面上に配置されている。また、複数の拡大光学系３０は、図１に示すように同一平面上で、互いに隣接するように並べられている。拡大光学系３０は、レンズアレー５０の光出射側に配置されており、入射光を拡大するものである。拡大光学系３０には、レンズアレー５０により再生されたインテグラル立体映像（四分割された部分的な立体映像）の光が入射する。それぞれの拡大光学系３０によって、インテグラル立体映像（四分割された部分的な立体映像）が拡大される。

拡大光学系３０の一例として、凹レンズと凸レンズとを組み合わせた光学系を用いることができる。レンズの種類は、フレネルレンズ、球面レンズ、非球面レンズ等を用いることができる。図２に示す例では、拡大光学系３０は、レンズアレー５０の側から順に、１つの凹レンズ３２と、１つの凸レンズ３４と、を備え、それぞれの光軸を一致させている。

凹レンズ３２はレンズアレー５０の前面に位置し、レンズアレー５０と密着する位置に配置されている。凹レンズ３２は、インテグラル立体映像（四分割された部分的な立体映像）の光である入射光を広げる。この凹レンズ３２の出射光は、凸レンズ３４に入射する。
凸レンズ３４は、凹レンズ３２の出射光の多くが入射するように凹レンズ３２よりもサイズが大きく形成されている。凸レンズ３４は、凹レンズ３２に対向するように配置されており、凹レンズ３２によって広げられて方向性をもった光を軸方向と平行に近くなるように屈折させる役割を果たす。

また、図２では、凹レンズ３２がレンズアレー５０から離れている状態で示したが、凹レンズ３２は、レンズアレー５０に当接するように配置されていることが好ましい。このように構成することで、レンズアレー５０に対して凹レンズ３２が固定されて位置ずれを防止できる。

各ディスプレー２０の背面には、拡散光投射装置１０がそれぞれ配置されている。
４個の拡散光投射装置１０は、それぞれがディスプレー２０に対応するように同一平面上に配置されており、拡散光をディスプレー２０に投射する。また、拡散光投射装置１０は、ディスプレー２０から任意の距離に配置することができる。

拡散光投射装置１０としては、例えば液晶パネル用の一般的なバックライトを用いることができる。このようなバックライトは、例えばバックライト用光源、導光板や拡散板、光拡散フィルム等を備えており、バックライト用光源は例えばＬＥＤやＣＣＦＬ（冷陰極管）等が用いられている。

＜立体映像の拡大＞
図３を参照し、立体映像表示装置１における立体映像の拡大について、説明する。
立体映像表示装置１では、各ディスプレー２０に要素画像を表示し、それらの前面に配置されたレンズアレー５０によりインテグラル立体映像（四分割された部分的な立体映像）を再生する。そして、各ディスプレー２０及びレンズアレー５０の前面に配置された拡大光学系３０により、各ディスプレー２０で再生されるインテグラル立体映像（四分割された部分的な立体映像）を拡大する。

また、立体映像表示装置１では、各レンズアレー５０によって再生された部分的な立体映像の光が拡大光学系３０を通過する。その際に、拡大光学系３０に入射する前の時点において、立体映像の切れ目として、部分的な立体映像同士の隙間が生じていたとしても、各部分的な立体映像の光が拡大光学系３０を通過することで、各部分的な立体映像が大きくなるにつれて立体映像の切れ目は小さくなってやがて無くなる。そのため、大きくなった部分的な立体映像同士がシームレスに結合される。このように、立体映像表示装置１では、拡大された部分的な立体映像同士をシームレスに結合することにより、継ぎ目のない多画素化されたインテグラル立体映像を再生することができる。

本実施形態に係る立体映像表示装置１によれば、要素画像の多画素化が可能になるので、インテグラル立体映像の品質を向上させることができる。
また、拡大光学系３０を、図５に示す従来の拡大光学系１３０の構成に比べてシンプルな光学系で構成でき、図４に示す従来の立体映像表示装置１００のように拡散板を使う必要がないため、解像度の低下を抑えることができる。
また、立体映像表示装置１によれば、ディスプレー２０、レンズアレー５０及び拡大光学系３０の組の個数を増加させることで、上限なく多画素化することが可能である。

さらに、立体映像表示装置１は、図４に示す従来の立体映像表示装置１００に比べて装置全体を薄型化できる効果を奏する。具体的には、従来の立体映像表示装置１００の構成では、図５に示すような拡大光学系１３０を用いる際、ディスプレー１２０に対して、仮に、液晶パネル用の通常のバックライトを用いると、拡大光学系１３０のレンズアレー１３２Ａ，１３２Ｂの影響で迷光が発生し、直視型のディスプレー１２０の映像が拡散板１４０上で多重像として結像し、立体映像の解像度の劣化につながってしまう。そのため、迷光の発生を防止するために、ディスプレー１２０に、拡散光ではなく平行光を投射できる平行光投射装置１１０を用いる必要がある。
ところが、平行光を生成するためには、例えば拡散光を平行光に変換するための光学系が必要となる。そのため、平行光投射装置１１０の装置奥行きが大きくなってしまう。このため、平行光投射装置１１０を含めた場合の立体映像表示装置の装置全体の奥行きが大きくなってしまう。

これに対して、立体映像表示装置１は、ディスプレー２０のバックライトとして拡散光投射装置１０を用いており、拡散光投射装置１０は、平行光を生成する必要がないので、装置の奥行きを小さくすることができる。したがって、拡散光投射装置１０を含めた場合の立体映像表示装置の装置全体を薄型化することができる。
試作した立体映像表示装置１（実施例１）と、試作した立体映像表示装置１００（比較例１）について、バックライトを含めた装置全体の奥行き幅を計測して比較した結果を表１に示す。なお、実施例１には、以下の表２に示す構成を用いた。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を変えない範囲で実施することができる。例えば、ディスプレー２０が表示する要素画像について、撮影により取得した要素画像群をディスプレー２０と同数に分割して拡大するものとしたが、結合線の糊しろとして重複した要素画像を表示させるようにしてもよい。この場合、要素画像群を分割した後、分割後に隣り合う２つの要素画像群において、一方の要素画像群の分割線から内側の所定幅の要素画像と同じものを、他方の要素画像群の分割線から外側に追加する。なお、要素画像を追加した後の他方のサイズが、一方のサイズと同じになるように予め分割する。

１ 立体映像表示装置
１０ 拡散光投射装置
２０ ディスプレー
２２ 表示部
２４ ベゼル部分
３０ 拡大光学系
３２ 凹レンズ
３４ 凸レンズ
５０ レンズアレー
５２ 要素レンズ

Claims (5)

1. インテグラル式の立体映像を表示する立体映像表示装置であって、
   前記立体映像のうちの一部分を再現する部分立体映像の要素画像をそれぞれ表示する、同一平面上に並べられる複数のディスプレーと、
   前記複数のディスプレーの表示部の前にそれぞれ配置され、前記表示部に表示された要素画像からの光が入射する複数のレンズアレーと、
   前記複数のレンズアレーの光出射側にそれぞれ配置され、互いに隣接するように並べられて、入射光を拡大する複数の拡大光学系と、
   を備えることを特徴とする立体映像表示装置。
2. 前記レンズアレーは、前記ディスプレーの表示部に当接するように配置されている請求項１に記載の立体映像表示装置。
3. 前記ディスプレーは、バックライトを備える直視型ディスプレーであり、
   前記バックライトは、拡散光を放射する、請求項１又は請求項２に記載の立体映像表示装置。
4. 前記拡大光学系は、前記レンズアレーの側から順に、凹レンズと、凸レンズと、を備える請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の立体映像表示装置。
5. 前記拡大光学系の凹レンズは、前記レンズアレーに当接するように配置されている請求項４に記載の立体映像表示装置。

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