JP5023678B2 - 裸眼立体視システム - Google Patents

Description

本発明は、立体視を行うシステムに関する。

近年のディスプレイの高解像度化、マイクロレンズの製作技術の向上などを背景とし、インテグラル・フォトグラフィ方式（IP方式）を利用した裸眼立体視ディスプレイに関する市場動向がある。

ここで、マイクロレンズアレイの背面に位置するディスプレイの解像度を向上させるため、多数のプロジェクタの映像をディスプレイ上に高密度に投射して、マイクロレンズ一つあたりがカバーする２次元画像の画素数を向上させる技術がある（特許文献１参照）。

特開２００３−２７９８９４号公報

特許文献１では、複数のプロジェクタが発する映像を、一旦ディスプレイに投影し、シームレスな映像を生成した後、マイクロレンズアレイに入射させている。この場合、ディスプレイに描かれている画像をマイクロレンズアレイにそのまま入射させる形態であるため、図１８に示すように、ディスプレイ１８２から出てマイクロレンズアレイ１８３を通過する光線群の射出位置１８１の個数が、マイクロレンズの個数と一対一になる。より高精度の立体画像を作成するためには、マイクロレンズの個数に対して、射出位置の個数を複数とするのが望ましいが、ディスプレイを用いた特許文献１の方法では不可能である、という課題がある。

一対一であっても、一つのマイクロレンズを通過する光線数をより多くすれば、高精度の立体画像の作成は可能となる。しかし、そのためには、ディスプレイをより高密度にする必要があり、微小画素製造技術、コスト等の観点から、実用的ではない。又、多数のプロジェクタを用いてディスプレイに光線を投影するとしても、高解像度な画像を投影するためには、解像力の高い高価な投影レンズを用いなければならず、実用的ではない。

そこで、本発明の目的は、高密度なディスプレイや高価な投影レンズを用いなくても、高精度の立体画像を作成できるシステムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。

本稿の裸眼立体視システムは、縦横に光を屈折させる第一の光学系と、凸レンズの効果を有する第二の光学系と、複数のプロジェクタを備え、第二の光学系は、第一の光学系、及び複数のプロジェクタの間に配置される。又、第一の光学系と第二の光学系は、平行に配置され、複数のプロジェクタは、第一及び第二の光学系と平行な線上に配置される。

本発明によれば、高密度なディスプレイや高価な投影レンズを用いなくても、マイクロレンズ一個に対して、複数の光線群の射出位置を実現することにより、高精度の立体画像を作成できるシステムを提供することができる。

図１は、裸眼立体視システムの構成図である。

本システムは、マイクロレンズアレイ１、フレネルレンズ２、及び複数のプロジェクタ３とからなる。マイクロレンズアレイ１は、フレネルレンズ２を挟んでプロジェクタ３とは反対側に配置され、フレネルレンズ２と平行に配置される。ここで、マイクロレンズは、複数のプロジェクタそれぞれの投影像を構成する複数の画素からの光線が入射するように、投影像の合焦点面での複数の画素を覆うことができる程度に十分な大きさの口径を持つものとする。

尚、本実施例では、マイクロレンズアレイを用いて説明するが、縦横に光を屈折させる光学系であれば、マイクロレンズに限定されない。例えば、レンチキュラレンズのシリンドリカルレンズの配置方向が直交するように、２枚のレンチキュラレンズを平行に重ねた光学系を用いてもよい（図１７参照）。又、本実施例では、フレネルレンズを用いて説明するが、凸レンズと同様の効果を有する光学系であれば、フレネルレンズに限定されない。例えば、単一の凸レンズを用いてもよい。

図２は、プロジェクタ３の構成図である。

プロジェクタ３は、光源ランプ２１、照明光学系２２、空間光量変調素子２３、及び、投影光学系２４とからなる。プロジェクタ３は、光源ランプ２１が射出する光線を照明光学系２２に反射させて空間光量変調素子２３上を照明する。投影光学系２４は、照明された空間光量変調素子２３の像を結像させる。投影光学系２４は、空間光量変調素子２３の面に平行な方向にシフトすることで、投影像を変形することなく、像面を平行に移動できるレンズシフト機構２４１を備える。

尚、プロジェクタとしては、透過型ではない反射型液晶素子や、マイクロミラーを多数配置したＤＭＤ素子を用いたプロジェクタでもよい。又、３原色の光源と色別の空間変調素子を用いる方法や、時分割により３原色の投影像を投影する方法等を用いたプロジェクタでもよい。

図３は、映像信号生成装置３０の構成図である。

映像信号生成装置３０は、ＣＰＵ３１、メモリ３２、ネットワークアダプタ３３、記憶装置３４、及び、複数の映像信号を複数のプロジェクタ３の各々に供給するビデオＩ/Ｆ３５からなり、これらはバス等の内部通信線３６を介して接続される。

ＣＰＵ３１は、記憶装置３４に格納された映像再生プログラム３４１をメモリ３２に読み込み、実行する。映像再生プログラム３４１は、複数の映像情報ファイル３４２を読み込み、複数のプロジェクタ３の各々に適した映像信号を個別に同期して並列に送信するためのプログラムである。

尚、図３では、一つのビデオＩ/Ｆ３５が複数のプロジェクタ３の各々に接続されている形態を示しているが、プロジェクタ一台に対して一台の映像信号生成装置を接続し、映像送信を連動制御する一台の計算機を、ネットワークを介して、複数の映像信号生成装置と接続し、当該計算機が複数の映像信号生成装置を管理する形態としてもよい。

図４は、裸眼立体視システムを真上から見た図である。

マイクロレンズアレイ１とフレネルレンズ２は互いに平行に配置されている。３台のプロジェクタ３−１、３―２、３―３は、フレネルレンズ２の面に対して平行な方向に並べて配置されている。プロジェクタ３−１〜３−３の投影光学系の中心は、同一平面上にあり、その面をＬpと記す。フレネルレンズ２のレンズ中心を通るＬpに平行な面をＬ２と記し、マイクロレンズアレイ１のレンズ中心を通るＬ２に平行な平面をＬ１と記す。マイクロレンズアレイ１の構成要素である各マイクロレンズの焦点距離をｆ１とし、フレネルレンズ２の焦点距離をｆ２とする。面Ｌ１と面Ｌ２の距離をＨmとし、面Ｌ２と面Ｌpの距離をＨpとする。このとき、Ｈp≒ｆ２（以下、数式１）、及び、Ｈm≒ｆ１（以下、数式２）となるようにする。

プロジェクタ３―２は、フレネルレンズ２及びマイクロレンズアレイ１の中心から左右対称に像を投影すると、中央の主光線４０１は、フレネルレンズ２のレンズ中心に垂直に入射しそのまま垂直に通過し、マイクロレンズアレイ１へ入射する。左端の主光線４０２、及び、右端の主光線４０３は、フレネルレンズ２に角度を持って入射するが、フレネルレンズ２の凸レンズ効果と、数式１の関係により、フレネルレンズ２の面で屈折し、マイクロレンズアレイ１に垂直に入射する。即ち、プロジェクタ３−２の投影像の各画素の主光線は、フレネルレンズ２のレンズ面に垂直な平行光線群として、マイクロレンズアレイ１へ導かれる。

プロジェクタ３―１に対しては、フレネルレンズ２のレンズ中心に、中央の主光線４１１が、主光線４０１に対して角度θで入射するように、レンズシフト機構２４１を用いて調整する。主光線４１１は、フレネルレンズ２のレンズ中心を通過するので、入射角度θと同じ角度θでフレネルレンズ２から出射し、マイクロレンズアレイ１へ入射する。左端の主光線４１２や、右端の主光線４１３は、フレネルレンズ２の凸レンズ効果と、数式１の関係により、フレネルレンズ２の面に対して、角度θでフレネルレンズ２から出射しマイクロレンズアレイ１へ入射する。即ち、プロジェクタ３―１の投影像の各画素の主光線は、フレネルレンズ２のレンズ面に角度θの平行光線群として、マイクロレンズアレイ１へ導かれる。

プロジェクタ３―３は、プロジェクタ３―１に対して、プロジェクタ３―２を狭んで反対側に配置され、投影像の各画素の主光線は、プロジェクタ３―１の光線とは左右対称に、フレネルレンズ２に対して、入射及び出射する。

図５は、一つのマイクロレンズへの、プロジェクタ３の投影像の主光線の入射及び出射の位置関係を示す図である。

（Ａ）は、プロジェクタ３―２の投影像の主光線が、フレネルレンズ２の領域５２からマイクロレンズアレイ１へ垂直に入射する様子を示す。面Ｌ１から距離ｆ１離れた面Ｌ３上の、マイクロレンズの中心位置を通る垂直線との交点５１を、領域５２を通過してきた全ての平行光線が通るため、領域５２の範囲へ投影されたプロジェクタ３―２の投影像は、光線方向範囲５３の各方向へ振り向けられる。図７に示すような正方格子状にマイクロレンズを配置したマイクロレンズアレイの平面図上では、黒丸（光線群の射出位置）で示した各レンズの中心位置５１から、光線方向範囲５３と同じ角度の円錐状の範囲にわたる光線群がそれぞれ発生する。

（Ｂ）は、プロジェクタ３―１の投影像の主光線が、フレネルレンズ２の領域５５からマイクロレンズアレイ１へ角度θで平行に入射する様子を示す。面Ｌ３上で、マイクロレンズを角度θで通過する直線との交点５４を、領域５５を角度θで通過してきた全ての平行光線が通るため、領域５５の範囲へ投影されたプロジェクタ３―１の投影像は、光線方向範囲５６の各方向へ振り向けられる。図８に示すような正方格子状にマイクロレンズを配置したマイクロレンズアレイの平面図上では、黒丸で示した各レンズの右端位置５４から、光線方向範囲５６と同じ角度の円錐状の範囲にわたる光線群がそれぞれ発生する。

（Ｃ）は、プロジェクタ３−３の投影像の主光線が、フレネルレンズ２の領域５８からマイクロレンズアレイ２へ角度θで平行に入射する様子を示す。（B）と比較すると、左右対称であること以外は同様である。図９は、（C）に対応する。

図５は、プロジェクタ３の投影光学系２４のレンズ中心を通過する主光線のみを描いているが、実際には、投影光学系２４の全体から出てくる光線を光束として描くことで、より正確な光線の振舞いを知ることができる。

図６は、プロジェクタからの投影光線の光束を考慮した光線行路を示す図である。

面Ｌ２をプロジェクタの投影像の合焦点面として投影された光束６１は、フレネルレンズ２を通過後は光束６２として、広がりながらマイクロレンズ１へ入射し、数式２の関係によりマイクロレンズを通過した後は平行な光束６３として出ていく。この平行な光束の幅Ｗは、フレネルレンズ２の面上で結像するための光束の収束角度φが大きいほど広くなり、プロジェクタの投影光学系２４の口径が大きいほど、φも大きくなる。

図５（Ｂ）（Ｃ）のように、マイクロレンズアレイ１に斜めから入射する平行な主光線をもつ光束の場合も、上記と同様に、フレネルレンズ面で結像したプロジェクタの投影像の各光束がフレネルレンズ面から広がりながらマイクロレンズアレイ１へ入射し、数式２の関係により、主光線がそれぞれ５４や５７を通過するような、ある幅を持った平行な光束として出ていく。

図１０は、プロジェクタ３台により生じた円錐状光線群の射出位置を合わせた図であり、図１１は、プロジェクタ９台により生じた円錐状光線群の射出位置を合わせた図である。このように、本実施例では、一つのマイクロレンズに対して、複数の射出位置を生じさせることができる。図１１の場合は、図１０の場合に比べ、上下方向にも、光線の射出位置が２倍に増えることになる。又、再生立体像のマイクロレンズアレイ１に平行な面内方向の解像度は、図７の場合に比べ、上下左右合わせて４倍に増加する。

尚、プロジェクタの数は限定されない。プロジェクタを追加し、その投影中心が、フレネルレンズ２のレンズ中心を通過するようにレンズシフト量を調整し、投影像の結像面をフレネルレンズ２の面上とし、マイクロレンズ一個毎に、９台のプロジェクタからの投射光線の出射位置とは異なる出射位置から、追加プロジェクタの投影光線を円錐上に出射させれば、追加プロジェクタの投影光線を立体像再生のために有効な光線とすることができ、立体再生像の画質を向上させることができる。

図１２は、光線群の断面図である。

光線群１２１、１２２、１２３は、それぞれ、プロジェクタ３−１、３−２、３−３からマイクロレンズアレイ１に入射する群である。これらの光線群は、マイクロレンズを通過後、マイクロレンズ幅の半分の間隔で並ぶ交点（１２０の点線で囲んだ中に位置する白丸）のいずれかを通って出ていく。この場合、光線群１２１のマイクロレンズ通過後の交差位置と、光線群１２３のマイクロレンズ通過後の交差位置とが一致するような配置となる。

図１３は、図１２とは別の、光線群の断面図である。

ここでは、３台のプロジェクタそれぞれからの投影光線がマイクロレンズ通過後の交差位置（１３０で示す点線で囲んだ中に位置する白丸）が、異なるプロジェクタからの光線交差位置が重複しないような、マイクロレンズアレイへの光線１３１、１３２、１３３となるような投影角度を持つように構成する。

図１４は、図１３の場合の、プロジェクタ３台により生じた円錐状光線群の射出位置を合わせた図であり、図１５は、図１３の場合の、プロジェクタ９台により生じた円錐状光線群の射出位置を合わせた図である。

ここでは、３台のプロジェクタからの寄与による円錐状光線群の射出位置の数は、プロジェクタ１台の円錐状光線群の射出位置の分布に対して、水平方向に３倍となり、９台のプロジェクタからの寄与による円錐状光線群の射出位置の数は、９倍となる。

図１３の方法では、円錐状光線群の広がり方が、マイクロレンズアレイに垂直な方向に対称ではなくなり、正確な立体像を観察できる範囲が多少狭くなるが、ほぼ正面から立体像を観測する場合など、一つの視点位置から観測することに限定すれば、図１２の方法よりも、映像画質を効率よく向上させることができる。

又、図１３では、裸眼立体視ディスプレイを観賞する範囲を規定することで、最適な、プロジェクタの投影レンズ中心とフレネルレンズとの距離Ｈpを決めることができる。

図１６は、裸眼立体視システムを真上から見た他の図である。

ディスプレイ面を観察する範囲が、その片方の端が１６２１で、もう一方の端が１６２２となる範囲１６２０の場合、マイクロレンズ１６１１から発する光線のうち観察されるのは、光線経路１６０１と１６０３で挟まれる範囲１６３１の光線のみである。この範囲外の光線は生成しても観測されない。同様に、マイクロレンズ１６１２から発する光線のうち観察されるのは、光線経路１６０２と１６０４で挟まれる範囲１６３２の光線のみである。このような光線範囲１６３１や１６３２に、プロジェクタ投影光線を無駄なく導くには、フレネルレンズ２から射出されマイクロレンズアレイ１へ入射する光線は平行光であるよりも、中心方向に向いて収束ぎみの光線としてマイクロレンズアレイ１へ入射させるのがよい。即ち、Ｈｐ＞ｆ２（数式３）となるように、ｆ２よりも遠い位置にプロジェクタ３−２を設置するのがよい。

本実施例では、マイクロレンズの配置を正方格子状としたが、配置はこれに限らず、最密配置やデルタ配置でもよい。又、マイクロレンズを円形としたが、画面の縦横方向で、立体視する範囲が同じでないようにディスプレイを構成する場合には、マイクロレンズ径の縦横比は一対一である必要はなく、視野範囲の狭い方向のマイクロレンズ径の方が、それに直交する方向のマイクロレンズ径より小さくする方が、プロジェクタの投影像の画素情報を無駄なく利用でき、再生画像の２次元的画像解像度を向上させることができる。

本稿によれば、高密度なディスプレイや高価な投影レンズを用いなくても、マイクロレンズ一個に対して、複数の光線群の射出位置を実現することにより、従来よりも高精度な立体画像を生成することができる。

裸眼立体視システムの構成図。 プロジェクタの構成図。 映像信号生成装置の構成図。 裸眼立体視システムを真上から見た図。 マイクロレンズへの投影像の入射及び出射の位置関係を示す図。 マイクロレンズへの投影光線の光束を考慮した光線行路を示す図。 図５（Ａ）に対応する、マイクロレンズアレイを示す図。 図５（Ｂ）に対応する、マイクロレンズアレイを示す図。 図５（Ｃ）に対応する、マイクロレンズアレイを示す図。 プロジェクタ３台により生じた円錐状光線群の射出位置を合わせた図。 光線群の断面図。 プロジェクタ９台により生じた円錐状光線群の射出位置を合わせた図。 光線群の他の断面図。 プロジェクタ３台により生じた円錐状光線群の射出位置を合わせた他の図。 プロジェクタ９台により生じた円錐状光線群の射出位置を合わせた他の図。 裸眼立体視システムを真上から見た他の図。 ２枚のレンチキュラレンズを用いた裸眼立体視システムの構成図。 従来図。

符号の説明

1・・・マイクロレンズアレイ、2・・・フレネルレンズ、3・・・プロジェクタ

Claims (4)

1. 縦横に光を屈折させるマイクロレンズアレイの第一の光学系と、
   凸レンズの効果を有する第二の光学系と、
   複数のプロジェクタを備え、
   前記第二の光学系は、前記第一の光学系、及び前記複数のプロジェクタの間に配置され、
   前記第一の光学系と前記第二の光学系は、平行に配置され、
   前記複数のプロジェクタの投影光学系のレンズ中心は、前記第一の光学系に平行な平面に位置するよう配置され、
   前記第二の光学系のレンズ中心を通るレンズに平行な平面から前記複数のプロジェクタの投影光学系のレンズ中心が位置する前記平面までの設置間隔が、前記第二の光学系の焦点距離より長く、
   前記第一の光学系の一つのマイクロレンズに対して複数の円錐状光線群の射出位置を形成するものであることを特徴とする、裸眼立体視システム。
2. ２枚のレンチキュラレンズを、当該２枚のレンチキュラレンズのシリンドルカルレンズの配置を直交させて、平行に配置した、縦横に光を屈折させる第一の光学系と、
   凸レンズの効果を有する第二の光学系と、
   複数のプロジェクタを備え、
   前記第二の光学系は、前記第一の光学系、及び前記複数のプロジェクタの間に配置され、
   前記第一の光学系と前記第二の光学系は、平行に配置され、
   前記複数のプロジェクタの投影光学系のレンズ中心は、前記第一の光学系に平行な平面に位置するよう配置され、
   前記第二の光学系のレンズ中心を通るレンズに平行な平面から前記複数のプロジェクタの投影光学系のレンズ中心が位置する前記平面までの設置間隔が、前記第二の光学系の焦点距離より長く、
   前記第一の光学系の前記２枚のレンチキュラレンズのシリンドリカルレンズが構成する縦横に光を屈折させる一つの光学系に対して複数の円錐状光線群の射出位置を形成するものであることを特徴とする、裸眼立体視システム。
3. 前記複数のプロジェクタを、それぞれ、前記第二の光学系への光線入射角度が互いに異 なるように配置する、請求項1又は２のいずれかに記載の裸眼立体視システム。
4. 前記第二の光学系は、フレネルレンズである、請求項１又は２のいずれかに記載の裸眼立体視システム。

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