JP2020173410A - ３次元映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型、軽量、安価で、かつ折り畳んで持ち運ぶことが可能な、３次元映像装置を提供する。【解決手段】２次元ディスプレイを着脱可能なケースと、前記ケースの底面と付着固定され、前記２次元ディスプレイを覆うように折り畳むことができると同時に、３次元映像鑑賞時には、前記２次元ディスプレイの表示面に対して左右垂直に側壁を形成することができるカバーと、側壁形成時に垂直形状を維持するために、前記カバーの上面を接続するブリッジと、前記２次元ディスプレイから射出される光束から３次元映像を再生するマイクロレンズアレイと、前記ブリッジの後部に付着固定され、環境光の映り込みを防止するための背面部を形成する背面板と、前記ブリッジの前部に付着固定され、前記マイクロレンズアレイによって再生された３次元映像を鑑賞者の視点方向へ偏向するための平板状の光学素子と、から構成される３次元映像表示装置。【選択図】図３

Description

本発明は、３次元映像表示装置に関する。

従来から、光線再生による３次元映像表示技術として、インテグラルフォトグラフィ（以下、ＩＰ）方式が知られている。例えば、特許文献１には、二次元状に配列されたマイクロレンズアレイを用いて、二次元状に配列された複数の表示画素から射出される光束から３次元画像を再生する画像表示装置が記載されている。

また、ＩＰ方式で再生された３次元画像を任意の位置に表示する装置として、例えば、特許文献２には、負の屈折率を有する透過型ミラーを用いた装置が記載されており、非特許文献１には、ハーフミラーを用いた装置が記載されている。

特開２０１２−２２３０７号公報 特開２０１９−１２２６１号公報

Ｙａｍａｎｏｕｃｈｉ Ｔ、Ｍａｋｉ Ｎ、Ｙａｎａｋａ Ｋ、"Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｙｒａｍｉｄ Ｕｓｉｎｇ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ"、Ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＥＥＣＳＳ’１６、Ｐａｐｅｒ Ｎｏ．ＭＨＣＩ １０９、１−４

時間や場所の制限なく３次元映像を鑑賞するためには、日常的に使用される携帯電話等の２次元ディスプレイから、３次元映像を表示可能な、小型かつ軽量な３次元映像表示装置が求められる。しかしながら、特許文献２においては、２次元映像を表示する光源として、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等が言及されているものの、スマートフォン等の日常的な映像表示装置が、該装置とどのように接続されるかについては、外部接続の可能性を示すに留まり、具体的な実現手段は言及されていない。また、該装置で使用する負の屈折率を有する透過ミラーは、現時点の技術では製造が困難であり、製造コストが高くなるという問題がある。

逆に、非特許文献１においては、具体的にパーソナルコンピューターを用いた実現手段が提示されており、製造が比較的容易なハーフミラーが使用されているものの、再生される３次元映像は、視点から見てハーフミラーの奥に表示され、視点の方向に飛び出す映像を表示することは、ハーフミラーの光学的な性質上、原理的に不可能である。また、ハーフミラーの光学的性質上、２次元映像表示面とハーフミラーは４５度の角度で対向する必要があり、任意の視点方向からの鑑賞を行うことは困難であり、自ずと上下方向の視点が拘束される。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、日常的に使用される２次元ディスプレイに取り付けることで、３次元映像を時間や場所の制限なく鑑賞することができる、小型、軽量、安価で、かつ折り畳んで持ち運ぶことが可能な３次元映像装置を提供することを目的とする。同時に、より現実的な３次元映像を実現するため、ＩＰ方式で実現される奥行き方向の視野範囲を確保したままで、任意の視点からの鑑賞を可能にする３次元映像装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る３次元映像装置は、２次元ディスプレイを着脱可能なケースと、前記ケースの底面と付着固定され、前記２次元ディスプレイを覆うように折り畳むことができると同時に、３次元映像鑑賞時には、前記２次元ディスプレイの表示面に対して左右垂直に側壁を形成することができるカバーと、側壁形成時に垂直形状を維持するために、前記カバーの上面を接続するブリッジと、前記２次元ディスプレイから射出される光束から３次元映像を再生するマイクロレンズアレイと、前記ブリッジの後部に付着固定され、環境光の映り込みを防止するための背面部を形成する背面板と、前記ブリッジの前部に付着固定され、前記マイクロレンズアレイによって再生された３次元映像を鑑賞者の視点方向へ偏向するための平板状の光学素子と、から構成される。

また、本発明に係る３次元映像装置では、前記平板状の光学素子の上辺は、前記ブリッジの前辺に付着固定され、前記平板状の光学素子の下辺は、円筒形の突起形状を両端に持つ角度固定用部材を備え、前記ブリッジの前辺を回転軸として鑑賞者に対する傾斜角度を変更した後、前記カバーに空けた孔に前記角度固定用部材を挿入することで、傾斜角度を維持することを特徴とする。

また、本発明に係る３次元映像装置では、前記マイクロレンズアレイと、前記二次元表示機器との間の距離は、前記マイクロレンズアレイの構成要素たるマイクロレンズの焦点距離と略等価であることが好ましい。

また、本発明に係る３次元映像装置では、前記マイクロレンズアレイは、前記ケースの右または左側面に付着固定され、前記２次元ディスプレイの表示面の上に乗せたり、外したりすることが可能であることを特徴とする。

また、本発明に係る３次元映像装置では、前記平板状の光学素子は、プリズムシートであることが好ましい。

また、本発明に係る３次元映像装置では、前記平板状の光学素子は、マイクロミラーアレイであることが好ましい。

本発明によれば、３次元映像鑑賞時には、折り畳み可能なカバーを２次元ディスプレイの表示面に対して垂直に側壁となるように組み立てることで、平板状の光学素子が、鑑賞者に対して任意の傾斜を持つように設置され、任意の角度からの３次元映像を鑑賞することが可能になる。また、持ち運び時には、カバーによって全ての部材が収納され、折り畳まれることで、携帯することが可能となる。以上から、本発明の３次元映像表示装置は、時間と場所を問わず３次元映像を鑑賞することを可能にする。また、マイクロレンズアレイは容易に２次元ディスプレイから外すことができるため、３次元映像鑑賞状態から、即材に２次元映像鑑賞に切り替えることが可能である。

３次元映像表示装置の概念を示す側面図である。 ＩＰ方式による要素画像群生成の概念を示す図である。 ３次元映像装置の３次元映像鑑賞時の様態を示す斜視図である。 ３次元映像装置の３次元映像鑑賞時の様態を示す断面図である。 ３次元映像装置の折り畳み時の様態を示す斜視図である。 ３次元映像装置の折り畳み時の様態を示す断面図である。 第１実施形態における平板上の光学素子の断面図である。 第１実施形態における光線経路を示す側面図である。 第１実施形態における平板状の光学素子の回転範囲を示す断面図である。 第２実施形態における平板上の光学素子の断面図である。 第２実施形態における光線経路を示す側面図である。 第２実施形態における平板状の光学素子の回転範囲を示す断面図である。 第３実施形態における光線経路を示す側面図である。 第３実施形態における平板状の光学素子の回転範囲を示す断面図である。

以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、実施形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１に、本発明の３次元映像表示装置１００において、３次元映像を表示する概念を示す。３次元映像の表示は、ＩＰ方式に基づいて、２次元ディスプレイ１０に表示される要素画像群から射出される光束が、マイクロレンズアレイ２０によって、３次元映像Ｉ１として再生され、再生された３次元映像が射出する光線が、平板状の光学素子３０によって、鑑賞者Ｖの方向へ偏向させられることによって、鑑賞者Ｖの網膜に３次元映像１２として結像する。なお、図１中の点線矢印は、光線のイメージを示す。

マイクロレンズアレイ２０は二次元状に配列された、複数のマイクロレンズ２０ｎから構成される。マイクロレンズ２０ｎと、２次元ディスプレイ１０の表示面間の距離は、マイクレンズ２０ｎの焦点距離と略等価であることが好ましい。マイクロレンズ２０ｎは、平凸レンズであることが好ましく、平面が２次元ディスプレイ１０側に配置される。マイクロレンズ２０ｎの形状は、例えば円形状、正方形状、正六角形状である。

２次元ディスプレイ１０に表示される要素画像群は、光線再生に用いられる多視点画像の集合である。前記多視点画像はマイクロレンズ２０ｎと同じ大きさの小画像であり、その生成方法は、撮影によるものとコンピューターグラフィックスによるものとの２種類がある。撮影の場合、図２に示すように２次元ディスプレイ１０をカメラＣに変えて、マイクロレンズ２０ｎに物体Ｏから入射する光束を撮影し、その撮影された画像に対して、縦横方向を反転した画像を、各マイクロレンズ２０ｎの形状および位置に対応するように配列した画像群である。コンピューターグラフィックスによる場合も、カメラＣが仮想的なカメラになるのみで、基本的な原理は同じである。

２次元ディスプレイ１０は、例えばスマートフォン、パーソナルコンピューターに用いられる液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイなどを指すが、３次元映像として十分な解像度、視野角、および奥行き表現を確保するためには、その表示画素の一辺の長さが、マイクロレンズ２０ｎの一辺の長さの、５分の１以下であることが好ましい。

平板状の光学素子３０は、例えば、三角柱形状のマイクロサイズのプリズムを一次元状に並べたマイクロプリズムシートであり、図１に示すように鑑賞者Ｖに対して奥側が高く、手前側が低くなるように、傾斜を持たせて配置する。傾斜角θは、鑑賞者Ｖの視点位置に合わせて、変動可能とすることで、従来の３次元映像表示装置にはない、自由な位置からの鑑賞を可能にしている。

図３に、３次元映像表示装置１００の、３次元映像鑑賞時の様態を示す斜視図を、図４に同様態での断面図を示す。２次元ディスプレイ１０は、着脱可能なケース５０によって固定される。カバー６０の左右中心に、ケース５０の底面を付着固定し、ケース５０の左右端を回転軸とした、三面鏡のような様態となる。

以下、３次元映像鑑賞時における、３次元映像表示装置の一実施の形態を説明する。

３次元映像鑑賞時には、カバー６０は、２次元ディスプレイ１０の表示面に対して垂直な側壁（図３中の６０Ｒおよび６０Ｌ）を成すように立てられる。側壁の垂直状態を維持するためには、各側壁が内側および外側へ回転、移動する自由度を拘束する必要がある。内側への回転、移動は、カバー６０の材質と厚みを適切に選定することにより、ケース５０によって拘束可能である。外側への回転、移動は、カバー６０の両側壁間に、両側壁を外側から挟むような形でブリッジ７０を接続することによって拘束する。

ブリッジ７０の左右一端は、カバー６０の、左右いずれか片側の側壁外側に付着固定する。ブリッジ７０を接続する際は、ブリッジ７０の反対側の一端と、カバー６０の反対側の側壁外側は、磁性体等によって付着させる。以上により、着脱可能なブリッジが、両側壁外側を挟むような形で形成される。例えば、カバー右側壁６０Ｒの外側にブリッジの右端が付着固定されている場合は、カバー左側壁６０Ｌの外側に付着または内蔵された磁性体と、ブリッジ７０の左端に付着または内蔵された磁性体とが吸着し、２次元ディスプレイ１０の表示面に対して垂直なカバー６０の外側への回転、移動を拘束する。以上により、３次元映像鑑賞時には、垂直状態を維持する一方、鑑賞していない時は、コンパクトに折り畳んで携帯することが可能となる。

３次元映像鑑賞時には、マイクロレンズアレイ２０が２次元ディスプレイ１０の上に乗せられる。この時、マイクロレンズアレイの配列格子形状と、２次元ディスプレイ１０の要素画像群の形状が一致しないと、期待する３次元映像が再生されないため、適切な位置にマイクロレンズアレイ２０を配置するために、サポート８０を設置する。サポート８０の前辺にマイクロレンズアレイを付着固定し、サポート８０の左右一端を、ケース５０の左右外側に付着固定することにより、マイクロレンズアレイが、２次元ディスプレイ１０上の同じ位置に配置される。また、サポート８０のケース５０に対する付着固定位置を、ケース５０の左右一方のみとしたことで、２次元映像のみを鑑賞したい場合に、マイクロレンズアレイ２０を外すことが可能となる。

３次元映像鑑賞時には、外部からの環境光の入射を防ぎ、対象となる３次元映像を、より鮮明に表示するため、背面板４０が３次元映像表示装置の一番奥に２次元ディスプレイ１０の表示面に対して垂直に設置される。背面板４０の上辺がブリッジ７０の奥側の一辺に付着固定され、背面板４０の下辺がカバー６０の底面と付着されることにより、背面板４０が形成される。背面板４０の下辺とカバー６０の底面との付着においては、磁性体など着脱可能な部材を用いることが好ましい。

３次元映像鑑賞時には、ＩＰ方式によって再生された３次元映像を鑑賞者Ｖの方向へ偏向させるための、平板状の光学素子３０が、鑑賞者Ｖ側へ傾斜をもって設置される。平板状の光学素子３０の上辺を、ブリッジ７０の手前側の辺に付着固定することにより、平板状の光学素子３０の下辺側のみに回転自由度を持たせ、上記付着固定した辺を回転軸として、傾斜角の変更を可能にする。また、傾斜角を変更した後に、任意の角度で固定するために、平板状の光学素子３０の下辺には、両端に円筒形の突起を持つ角度固定用部材９０を備え付ける。角度固定用部材９０の円筒形の突起が、予め空けておいたカバー６０の両側壁の孔に挿入されることで、傾斜角が固定される。

図５に、３次元映像表示装置１００の、折り畳み時の様態を示す斜視図を、図６に同様態での断面図を示す。マイクロレンズアレイ２０、背面板４０、および平板状の光学素子３０は全て、カバー６０の左右一方の側壁の内部に、全て収納される。図６に示すように、側壁の内側から、平板状の光学素子３０、マイクロレンズアレイ２０、背面板４０の順番で折り畳まれる。この時、２次元映像のみを鑑賞する際は、単にカバーを開けば良く、この折り畳みの仕組みが、３次元映像の鑑賞状態、２次元映像の鑑賞状態、持ち運び状態の３つの状態を容易に切り替えることを可能にしている。

なお、図５および図６においては、カバー６０の右側壁６０Ｒに部材一式が収納されるが、左側壁６０Ｌであっても機能上の問題はない。

カバー６０、ブリッジ７０およびサポート８０は、繰り返し折り曲げられることを想定し、例えば革のような、柔らかく、繰り返しの使用にも耐えうる素材を使用することが好ましい。特にカバー６０に関しては、垂直状態を維持する必要性から、自重で座屈しない程度の厚みを有することが好ましい。

次に、平板状の光学素子３０を変化させた上で、効果的な３次元映像を表示するための、実施形態について説明する。

（１）第１実施形態
本実施形態では、平板上の光学素子３０として、マイクロサイズの三角柱プリズムが一次元状に並んだ構造の、マイクロプリズムシート３０Ａを用いる。本実施形態で用いる三角柱の断面形状は、頂角が９０°の二等辺三角形である。

図７に、プリズムシート３０Ａの断面図を示す。図８に、プリズムシート３０Ａが４５°の角度で３次元映像表示装置１００に設置された際の、光線経路概略図を示す。

４５°の角度で設置されたプリズムシート３０Ａの真下から入射される光線は、４５°の角度でプリズムシート３０Ａに入射した後、プリズムの２辺で屈折し、約３０°時計回りの方向に偏向される。プリズム断面のサイズが、マイクロレンズ２０ｎのサイズに対して小さいものを選び、光束がほぼ全て真下から入射すると仮定すると、プリズムシート３０Ａの傾斜角θは３０°〜７５°の範囲が好ましい。

従って、例えば１５°間隔で、カバー６０の、３０°、４５°、６０°、７５°の箇所に角度決めの孔を設けることで、任意の角度からの３次元映像の鑑賞が可能になる。図９に、本実施形態における３次元映像表示装置１００の断面図と、プリズムシート３ａの回転範囲を示す。なお、プリズムの配列は上下方向に並ぶように設置する。

（２）第２実施形態
本実施形態では、平板上の光学素子３０として、マイクロサイズの四角柱プリズムが一次元状に並んだ構造の、マイクロプリズムシート３０Ｂを用いる。本実施形態で用いる四角柱の断面形状は、長方形と頂角が６０°の直角三角形が結合した台形形状である。

図１０に、プリズムシート３０Ｂの断面図を示す。図１１に、プリズムシート３０Ｂが４５°の角度で３次元映像表示装置１００に設置された際の、光線経路概略図を示す。

４５°の角度で設置されたプリズムシート３０Ｂの真下から入射される光線は、４５°の角度でプリズムシート３０Ｂに入射した後、プリズムの１辺で屈折し、２辺目で全反射した後、３辺目でほぼ直角に出射するよう設計され、約７５°時計回りの方向に偏向される。プリズム断面のサイズが、マイクロレンズ２０ｎのサイズに対して小さいものを選び、光束がほぼ全て真下から入射すると仮定すると、プリズムシート３０Ｂの傾斜角θは３０°〜４５°の範囲が好ましい。

従って、例えば１５°間隔で、カバー６０の、３０°、４５°の箇所に角度決めの孔を設けることで、任意の角度からの３次元映像の鑑賞が可能になる。図１２に、本実施形態における３次元映像表示装置１００の断面図と、プリズムシート３ｂの回転範囲を示す。なお、プリズムの配列は上下方向に並ぶように設置する。

本実施形態では、第１実施形態と比較して鑑賞可能な範囲は縮小しているものの、偏向に全反射を利用し、屈折回数を１回に抑えることにより、プリズムの光学的性質による分散を低下させる効果を生む。

（３）第３実施形態
本実施形態では、平板状の光学素子として、マイクロミラーアレイが二次元状に並ぶマイクロミラーアレイシート３０Ｃを用いる。

図１３に、ミラーアレイシート３０Ｃが４５°の角度で３次元映像表示装置に設置された際の光線経路概略図を示す。

４５°の角度で設置されたミラーアレイシート３０Ｃの真下から入射される光線は、４５°の角度でミラーアレイシート３０Ｃに入射した後、ミラーアレイシート３０Ｃを対称面として面対称に偏向される。従って、ミラーアレイシート３０Ｃの傾斜角θは３０°〜６０°の範囲が好ましい。

従って、例えば１５°間隔で、カバー６０の、３０°、４５°、６０°の箇所に角度決めの孔を設けることで、任意の角度からの３次元映像の鑑賞が可能になる。図１４に、本実施形態における３次元映像表示装置１００の断面図と、ミラーアレイシート３ｃの回転範囲を示す。

本実施形態では、第１実施形態と比較して鑑賞可能な範囲は縮小しており、第１実施形態および第２実施形態と比較して、光学素子自体の製造コストは高いものの、偏向に全反射のみを利用していることから、分散が発生せず、クリアな３次元映像を鑑賞することが可能になる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施例に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施し得る。例えば、上記実施形態では、マイクロレンズアレイを用いているが、レンチキュラーレンズアレイを用いても、上下方向の視差は実現出来なくとも、３次元映像を鑑賞することは可能である。

手持ちのスマートフォンなどに装着するだけで、より手軽に３次元映像を鑑賞できる本発明を用いることによって、３次元映像の表示手段をより多くの人が手にすることが出来、もって３次元映像コンテンツの普及につながる可能性がある。

１００：３次元映像表示装置
１０：２次元ディスプレイ
２０：マイクレンズアレイ
２０ｎ：マイクロレンズ
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ：平板状の光学素子
４０：背面板
５０：ケース
６０、６０Ｌ、６０Ｒ：カバー
７０：ブリッジ
８０：サポート
９０：角度固定用部材

Claims (6)

1. ２次元ディスプレイを着脱可能なケースと、前記ケースの底面と付着固定され、前記２次元ディスプレイを覆うように折り畳むことができると同時に、３次元映像鑑賞時には、前記２次元ディスプレイの表示面に対して左右垂直に側壁を形成することができるカバーと、側壁形成時に垂直形状を維持するために、前記カバーの上面を接続するブリッジと、前記２次元ディスプレイから射出される光束から３次元映像を再生するマイクロレンズアレイと、前記ブリッジの後部に付着固定され、環境光の映り込みを防止するための背面部を形成する背面板と、前記ブリッジの前部に付着固定され、前記マイクロレンズアレイによって再生された３次元映像を鑑賞者の視点方向へ偏向するための平板状の光学素子と、から構成されることを特徴とする３次元映像表示装置。
2. 前記平板状の光学素子の上辺は、前記ブリッジの前辺に付着固定され、前記平板状の光学素子の下辺は、円筒形の突起形状を両端に持つ角度固定用部材を備え、前記ブリッジの前辺を回転軸として鑑賞者に対する傾斜角度を変更した後、前記カバーに空けた孔に前記角度固定用部材を挿入することで、傾斜角度を維持することを特徴とする、請求項１記載の３次元映像表示装置。
3. 前記マイクロレンズアレイと、前記二次元表示機器との間の距離は、前記マイクロレンズアレイの構成要素たるマイロクレンズの焦点距離と略等価であることを特徴とする、請求項１又は２記載の３次元映像表示装置。
4. 前記マイクロレンズアレイは、前記ケースの右または左側面に付着固定され、前記２次元ディスプレイの表示面の上に乗せたり、外したりすることが可能であることを特徴とする、請求項１から３記載の３次元映像表示装置。
5. 前記平板状の光学素子は、プリズムシートであることを特徴とする、請求項１から４記載の３次元映像表示装置。
6. 前記平板状の光学素子は、マイクロミラーアレイであることを特徴とする、請求項１から４記載の３次元映像表示装置。

Images