JP2023158670A - 拡散スクリーン及び多視点映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】隣り合う視点間でのクロストークを抑制できる拡散スクリーンを提供する。【解決手段】拡散スクリーン１は、複数の多視点映像からなる多視点映像群を表示する多視点映像表示装置用の拡散スクリーンであり、多視点映像に対応したマイクロレンズ１１が２次元状に配列されたマイクロレンズアレイ１０であり、マイクロレンズ１１は、トップハット状の拡散特性を有する。【選択図】図５

Description

本発明は、多視点映像表示装置用の拡散スクリーンに関する。

近年、３Ｄメガネを用いた２眼式をはじめ、多様な３次元映像表示手法が提案されている。特に、光学的な３次元映像を再現する光線再生型の３次元映像表示手法は、特別なメガネを用いずに、水平視差、垂直視差及び滑らかな運動視差を有した自然な３次元映像を表示できるという利点がある。光線再生型の３次元映像表示方法の一つとして、特許文献１～３に記載の手法が提案されている。

これら従来技術では、滑らかな運動視差を実現するために、拡散スクリーンが必要となる。例えば、拡散スクリーンとして、ホログラフィックディフューザーやすりガラスがあげられる。そして、前記した従来技術では、多視点映像群を表示スクリーンに重畳投射して、観察者の位置に応じた視点映像を提示することで、自然な３次元映像を再生できる。

特許５２５２７０３号公報 特許６５９８３６２号公報 特開２０２０‐１４８８７１号公報

図１０に示すように、前記した従来技術では、拡散スクリーンが一般的なガウシアン状の拡散特性を有するため、隣り合う視点間でクロストークが発生してしまい、品質劣化の要因となる。ここで、図１０では、拡散スクリーン上のある一点に対して離散的な角度間隔で視点の光線が入射したときの拡散特性を表している。ガウシアン状の各波形が、各視点の光線が入射したときの拡散特性を表している。このように、拡散スクリーンがガウシアン状の拡散特性を有するので、隣り合う波形の裾野部分が重なり合ってしまい、クロストークが発生してしまう。なお、図１０では、縦軸が光強度を表し、横軸が拡散角θを表す。

そこで、本発明は、隣り合う視点間でのクロストークを抑制できる拡散スクリーン及び多視点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、本発明に係る拡散スクリーンは、複数の多視点映像からなる多視点映像群を表示する多視点映像表示装置用の拡散スクリーンであって、拡散スクリーンは、多視点映像に対応したマイクロレンズが２次元状に配列されたマイクロレンズアレイであることとした。

かかる構成によれば、マイクロレンズは、トップハット状の拡散特性を有する。これにより、この拡散スクリーンでは、ガウシアン状の拡散特性に比べて、隣り合う視点への光の入射を抑制し、隣り合う視点間でのクロストークを抑制できる。

本発明によれば、隣り合う視点間でのクロストークを抑制し、高品質な多視点映像群を表示することができる。

実施形態に係る多視点映像表示装置の概略図である。 実施形態に係る多視点映像表示装置の構成図である。 実施形態に係る拡散スクリーンの拡散特性を示すグラフである。 実施形態において、（ａ）は多視点映像群の説明図であり、（ｂ）は多視点映像群がシフトしないときの視点位置の説明図であり、（ｃ）は多視点映像群が斜め方向にシフトしたときの視点位置の説明図であり、（ｄ）は多視点映像群が水平方向にシフトしたときの視点位置を説明する説明図である。 実施形態において、（ａ）は１層構造のマイクロレンズアレイの説明図であり、（ｂ）は２層構造のマイクロレンズアレイを説明する説明図である。 実施形態において、（ａ）はシフトしないときのマイクロレンズの説明図であり、（ｂ）は（ａ）での拡散を説明する説明図であり、（ｃ）はひし形状のマイクロレンズの説明図であり、（ｄ）は（ｃ）での拡散を説明する説明図である。 実施形態において、（ａ）は横長長方形状のマイクロレンズの説明図であり、（ｂ）は（ａ）での拡散を説明する説明図であり、（ｃ）は縦長長方形状のマイクロレンズの説明図であり、（ｄ）は（ｃ）での拡散を説明する説明図である。 実施形態において、（ａ）は縦長長方形状のマイクロレンズの説明図であり、（ｂ）は（ａ）での拡散を説明する説明図である。 実施形態において、マイクロレンズ同士の隙間を説明する説明図である。 従来技術における拡散スクリーンの拡散特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。但し、以下に説明する各実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。また、同一の手段には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

［多視点映像表示装置の構成］
図１及び図２を参照し、実施形態に係る多視点映像表示装置２の構成について説明する。
多視点映像表示装置２は、複数の多視点映像ｐからなる多視点映像群Ｐを表示するものである。例えば、多視点映像表示装置２は、多視点映像群Ｐの視点数を増加させるため、多視点映像群Ｐを水平方向、垂直方向又は斜め方向にシフトさせる。図１に示すように、多視点映像表示装置２は、拡散スクリーン１と、２次元映像表示装置２０と、高密度化装置２１と、表示光学系２２と、駆動装置２３とを備える。なお、後記する拡散スクリーン１以外、多視点映像表示装置２の各手段は一般的なものであるため、簡易に説明する。

多視点映像群Ｐとは、異なる視点で被写体ｔ（ｔ_１，ｔ_２）を撮影した多視点映像ｐ（ｐ_１，ｐ_２）が水平方向及び垂直方向に配列された映像のことである。なお、図１には、シフト前の多視点映像ｐ_１、シフト後の多視点映像ｐ_２、立方体状の被写体ｔ_１、円柱状の被写体ｔ_２、及び、観察者Ｈを図示した。また、Ｘが水平方向、Ｙが垂直方向、Ｚが奥行方向を表し、観察者Ｈの位置を観察位置ｈとする。

２次元映像表示装置２０は、水平方向及び垂直方向に視差を有する多視点映像群Ｐを表示するものである。ここでは、２次元映像表示装置２０は、多視点映像群Ｐの視点数を増加させるため、多視点映像ｐ_１，ｐ_２を一定間隔（例えば、１／１２０秒間隔）で切り替えて表示する。図２に示すように、２次元映像表示装置２０は、プロジェクタ２００と、コリメータレンズ２０１と、結像レンズ群２０２とを備える。プロジェクタ２００は、多視点映像群Ｐを投影する投影装置である。コリメータレンズ２０１は、プロジェクタ２００が投影した多視点映像群Ｐの光を平行光に変換するレンズである。結像レンズ群２０２は、コリメータレンズ２０１からの平行光を結像する結像レンズ２０３で構成されている。

高密度化装置２１は、時分割で多視点映像群Ｐをシフトさせることで、多視点映像群の視点数を増加させるものである（例えば、特開２０１９－４５３２５号公報、特開２０２０－１９７８９１号公報）。図２に示すように、高密度化装置２１は、偏光切替素子２１０と、２枚の偏光回折素子２１１，２１２と、アパーチャ２１３とを備える。偏光切替素子２１０は、２次元映像表示装置２０からの入射光の偏光状態を一定間隔で切り替える光学素子である。偏光回折素子２１１，２１２は、入射光の偏光状態に応じて、その出射方向を変化させるものである。つまり、偏光回折素子２１１，２１２は、多視点映像ｐ_１，ｐ_２の光を異なる方向に出射する。アパーチャ２１３は、多視点映像群Ｐに対応するように配列された開口である。

表示光学系２２は、多視点映像群Ｐを拡大結像するための光学系である。図２に示すように、表示光学系２２は、集光レンズ２２０と、視域形成レンズ２２１とを備える。集光レンズ２２０は、高密度化装置２１からの光を視域形成レンズ２２１に重畳するためのレンズである。視域形成レンズ２２１は、集光レンズ２２０により重畳された多視点映像群Ｐの光の進行方向を制御して視域を形成するレンズである。

駆動装置２３は、多視点映像群Ｐの視点数を増加させるために、２次元映像表示装置２０及び高密度化装置２１を駆動するものである。つまり、駆動装置２３は、２次元映像表示装置２０による多視点映像ｐ_１，ｐ_２の表示タイミングと、高密度化装置２１による多視点映像ｐ_１，ｐ_２の偏光状態とが連動して切り替わるように、２次元映像表示装置２０及び高密度化装置２１を駆動する。

拡散スクリーン１は、多視点映像ｐに対応したマイクロレンズ１１が２次元状に配列されたマイクロレンズアレイ１０（図５）である。図３に示すように、マイクロレンズ１１は、トップハット状の拡散特性を有する。なお、トップハット状の拡散特性とは、拡散角度に対する拡散光の光強度の特性が矩形状となる拡散特性のことである。図３では、トップハット状の波形のそれぞれが、離散的な角度間隔（例えば、１．０度間隔）で視点の光線が入射したときの各視点の光線に対する拡散特性を表している。つまり、マイクロレンズ１１がトップハット状の拡散特性を有するので、図１０のガウシアン状の拡散特性に比べて、隣り合う波形同士で重なり合う箇所の面積が少なくなり、光線間のクロストークを抑制できる。

以下、多視点映像表示装置２による多視点映像群Ｐの表示について説明する。図２に示すように、２次元映像表示装置２０により平面内に２次元的に表示された多視点映像群Ｐは、偏光切替素子２１０により特定の偏光状態となる。特定の偏光状態となった光線は、偏光回折素子２１１により±１次回折光として出射し、偏光回折素子２１２により光の進行方向が元に戻される。このとき、０次回折光及び高次回折光は、アパーチャ２１３により物理的に除去される。なお、図２では、＋１次回折光を実線で図示し、－１次回折光を破線で図示した。

偏光回折素子２１１，２１２の偏光特性は、２次元映像表示装置２０からの出射光の偏光状態に応じて決定する。例えば、２次元映像表示装置２０からの出射光の偏光状態が直線偏光である場合、直線偏光に対応する偏光回折素子２１１，２１２を用いる手法、及び、円偏光に対応した偏光回折素子２１１，２１２の前段にλ／４波長板（不図示）を設置する手法がある。また、２次元映像表示装置２０からの出射光があらゆる偏光状態を含んでいる場合、２次元映像表示装置２０の直後に偏光板（不図示）を設置し、ある特定の偏光状態に変換すればよい。偏光回折素子２１１よりも前段であれば、偏光切替素子２１０は、どこに配置してもよい。また、偏光切替素子２１０のサイズを最小にできるため、偏光切替素子２１０を２次元映像表示装置２０の直後に配置するのが好ましい。

高密度化装置２１を透過した多視点映像群Ｐは、表示光学系２２により拡大結像され、拡散スクリーン１に重畳される。そして、拡散スクリーン１が視点密度に応じて多視点映像群Ｐの光を拡散するので、滑らかな運動視差を持つ３次元映像が表示される。

なお、多視点映像表示装置２が多視点映像群Ｐをシフトさせることとして説明したが、これに限定されない。つまり、拡散スクリーン１は、多視点映像群Ｐをシフトしない多視点映像表示装置にも適用できる。このようにシフトを考慮しない多視点映像表示装置では、高密度化装置２１及び駆動装置２３を必要としない。

［拡散スクリーン］
以下、拡散スクリーン１を詳細に説明する。
ここで、図４（ａ）に示すように、多視点映像群Ｐが水平４視点、垂直４視点の場合を考える。この多視点映像群Ｐをシフトせずに表示した場合、図４（ｂ）に示すように、観察位置ｈにおいて、水平４視点、垂直４視点の合計１６視点が形成される。また、多視点映像群Ｐを斜め方向にシフトさせた場合、図４（ｃ）に示すように、観察位置ｈにおいて、水平８視点、垂直８視点が形成される。つまり、多視点映像群Ｐを斜め方向にシフトさせると、水平方向及び垂直方向ともに、２倍相当の視点密度を実現できる。これと同様、多視点映像群Ｐを水平方向にシフトさせた場合、図４（ｄ）に示すように、観察位置ｈにおいて、水平８視点、垂直４視点が形成される。つまり、多視点映像群Ｐを水平方向にシフトさせると、水平方向の視点密度を２倍に増加させることができる。なお、図４では、シフト前の視点ｆ_１を黒丸で図示し、シフト後の視点ｆ_２を白丸で図示した。また、図４では、Ｖ_ｘが隣り合う水平方向の視点間隔を表し、Ｖ_ｙが隣り合う垂直方向の視点間隔を表す。

拡散スクリーン１を外した状態では、視点ｆ_１，ｆ_２の形成位置が離散的であるため、視点ｆ_１，ｆ_２の間では３次元映像を観察できない。観察者Ｈが滑らかな運動視差を有した３次元映像を観察するためには、視点ｆ_１，ｆ_２の間が連続的につながるように多視点映像群Ｐの光を拡散スクリーン１で拡散させる必要がある。その一方、多視点映像群Ｐの光を拡散させ過ぎてしまうと、クロストークとなって、３次元映像の品質劣化の要因となる。そこで、多視点映像表示装置２では、トップハット型の拡散特性を有する拡散スクリーン１を用いる。

例えば、拡散スクリーン１は、開口数が同一のマイクロレンズ１１を２次元的に配置したマイクロレンズアレイ１０で実現できる。結像レンズ群２０２のレンズピッチが数十mmオーダーであるのに対して、マイクロレンズアレイ１０のレンズピッチは数百μmオーダーであり、両者のスケールが大きく異なる。マイクロレンズ１１の拡散角θは、以下で説明するように各マイクロレンズ１１の設計に依存する。

図５（ａ）に示すように、マイクロレンズ１１が屈折率ｎの素材で形成された１層構造の平凸レンズの場合を考える。この場合、マイクロレンズ１１の曲率Ｒ及びレンズ径ａが含まれる以下の式（１）を用いて、マイクロレンズ１１の拡散角θが表される。

また、図５（ｂ）に示すように、マイクロレンズ１１が屈折率ｎ_１，ｎ_２の素材で形成された２層構造の平凸レンズの場合を考える。この場合、マイクロレンズ１１の曲率Ｒ及びレンズ径ａが含まれる以下の式（２）を用いて、マイクロレンズ１１の拡散角θが表される。

前記した式（１）又は式（２）より、曲率Ｒが一定の場合、多視点映像群Ｐの光は、レンズ径ａに応じて２次元的に拡散する。

ここで、図４（ｂ）に示すように、多視点映像群Ｐがシフトせず、拡散スクリーン１から観察位置ｈまでの距離Ｌ＝１５００ｍｍ、観察位置ｈにおいて、隣り合う水平方向の視点間隔Ｖ_ｘ＝６０．７ｍｍ、隣り合う垂直方向の視点間隔Ｖ_ｙ＝３４．４ｍｍの場合を考える。なお、Ｖ_ｘ：Ｖ_ｙ＝１６：９、隣り合う水平方向の視点間角度θ_ｘ＝２．３２°、隣り合う垂直の視点間角度θ_ｙ＝１．３１°となる。また、マイクロレンズ１１において、水平方向のレンズ径ａ_ｘ及び垂直方向のレンズ径ａ_ｙとする。なお、視点間角度とは、観察位置ｈから見て、隣り合う視点位置同士のなす角である。

この場合、図６（ａ）に示すように、ａ_ｘ：ａ_ｙ＝１６：９の長方形レンズをマイクロレンズ１１として配列すれば、クロストークを効果的に抑制できる。すなわち、図６（ｂ）に示すように、マイクロレンズ１１が、各視点ｆ_１の間（ドットで図示）が重複なく連続的につながるように光を拡散する。例えば、マイクロレンズ１１の曲率Ｒ＝６１００μｍ、屈折率ｎ＝１．６９の場合、水平方向のレンズ径ａ_ｘ＝１７９μｍとすればよい。

図４（ｃ）のように多視点映像群Ｐを斜め方向にシフトした場合を考える。この場合、図６（ｃ）に示すように、ａ_ｘ：ａ_ｙ＝１６：９のひし形レンズをマイクロレンズ１１として配列すればよい。さらに、図７（ａ）に示すように、ａ_ｘ：ａ_ｙ＝３２：９の長方形レンズをマイクロレンズ１１として配列してもよい。さらに、図７（ｃ）に示すように、ａ_ｘ：ａ_ｙ＝８：９の長方形レンズをマイクロレンズ１１として配列してもよい。何れの配列でも、図６（ｄ）、図７（ｂ）又は図７（ｄ）に示すように、マイクロレンズ１１が、各視点ｆ_１，ｆ_２の間（ドットで図示）が重複なく連続的につながるように光を拡散するので、クロストークを効果的に抑制できる。

図４（ｄ）のように多視点映像群Ｐを水平方向にシフトした場合を考える。の場合、図８（ａ）に示すように、ａ_ｘ：ａ_ｙ＝８：９の長方形レンズをマイクロレンズ１１として配列すればよい。すると、図８（ｂ）に示すように、マイクロレンズ１１が、各視点ｆ_１，ｆ_２の間（ドットで図示）が重複なく連続的につながるように光を拡散するので、滑らかな運動視差がある３次元映像を観察者Ｈが観察できる。

ここで、拡散スクリーン１の位置において、２次元映像表示装置２０で表示した多視点映像群Ｐが画素ピッチｄの場合を考える。マイクロレンズ１１のレンズ径ａが多視点映像群Ｐの画素ピッチｄよりも大きい場合、３次元映像の画素がレンズ径ａでサンプリングされてしまうので、レンズ径ａを画素ピッチｄよりも小さくすることが好ましい。例えば、２次元映像表示装置２０が対角２０インチ、ＨＤ解像度（１９２０×１０８０画素）で多視点映像群Ｐを表示する場合、画素ピッチｄ＝２３１μｍとなる。従って、視点間角度θ_ｘ＝２．３２°の場合、前記したマイクロレンズ１１の諸元（曲率Ｒ＝６１００μｍ、屈折率ｎ＝１．６９、レンズ径ａ_ｘ＝１７９μｍ）は、レンズ径ａが画素ピッチｄよりも小さくなる。

図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、マイクロレンズ１１同士に隙間１２がある場合、拡散スクリーン１に直交して入射する光が隙間１２で拡散されないため、中心が明るくなるような輝度ムラが発生してしまう。そこで、トップハット型の拡散特性を実現するため、最密構造でマイクロレンズ１１を配置することが好ましい。

以下、拡散スクリーン１の製造方法について簡単に説明する。例えば、拡散スクリーン１は、グレイスケール露光やレーザ描画によるソフトモールドから製造できる。また、拡散スクリーン１は、光造形装置を利用して、製造してもよい。

以上、実施形態を詳述してきたが、本発明は前記した実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

前記した実施形態では、マイクロレンズが平凸レンズであることとして説明したが、本発明は、これに限定されない。例えば、マイクロレンズが凹状レンズ又は非球面レンズであってもよい。また、マイクロレンズアレイに不規則性（ランダム性）を加えて回折等の影響を低減させることも可能である（例えば、特開２０２０－７６９５３号公報）。この場合、トップハット型の拡散特性を有するために、各マイクロレンズで開口数が等しくなるよう設計するとよい。

１ 拡散スクリーン
２ 多視点映像表示装置
１０ マイクロレンズアレイ
１１ マイクロレンズ
２０ ２次元映像表示装置
２１ 高密度化装置
２２ 表示光学系
２３ 駆動装置
２００ プロジェクタ
２０１ コリメータレンズ
２０２ 結像レンズ群
２１０ 偏光切替素子
２１１，２１２ 偏光回折素子
２１３ アパーチャ
２２０ 集光レンズ
２２１ 視域形成レンズ

Claims (5)

1. 複数の多視点映像からなる多視点映像群を表示する多視点映像表示装置用の拡散スクリーンであって、
   前記拡散スクリーンは、前記多視点映像に対応したマイクロレンズが２次元状に配列されたマイクロレンズアレイであり、
   前記マイクロレンズは、トップハット状の拡散特性を有することを特徴とする拡散スクリーン。
2. 前記マイクロレンズは、開口数が同一であることを特徴とする請求項１に記載の拡散スクリーン。
3. 前記マイクロレンズが屈折率ｎの素材で形成された１層構造の平凸レンズである場合、前記マイクロレンズの曲率Ｒ及びレンズ径ａが含まれる以下の式（１）を用いて、
   

   

   前記マイクロレンズの拡散角θが表されることを特徴とする請求項２に記載の拡散スクリーン。
4. 前記マイクロレンズが屈折率ｎ_１，ｎ_２の素材で形成された２層構造の平凸レンズである場合、前記マイクロレンズの曲率Ｒ及びレンズ径ａが含まれる以下の式（２）を用いて、
   

   

   前記マイクロレンズの拡散角θが表されることを特徴とする請求項２に記載の拡散スクリーン。
5. 請求項１に記載の拡散スクリーンを備える多視点映像表示装置。

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