JP5214746B2 - 三次元映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、三次元映像を表示する三次元映像表示装置に関する。

動画の表示が可能な三次元映像表示装置、所謂、三次元ディスプレイには、種々の方式が知られている。近年、特にフラットパネルタイプで、且つ、専用の眼鏡等を必要としない方式が高く要望されている。この専用のメガネを必要としないタイプの三次元映像表示装置の一つは、直視型或いは投影型の液晶表示装置又はプラズマ表示装置等のように画素位置が固定されている表示パネル（表示装置）の直前に光線制御素子が設置され、表示パネルからの光線が制御されて観察者に向けられる方式として知られている。

ここで、光線制御素子は、光線制御素子上の同一位置を観察しても観察する角度により異なる映像が見えるような機能を有する。具体的には、左右視差（水平視差）のみを与える場合には、光線制御素子としてスリット（視差バリア）或いはレンチキュラー・シート（シリンドリカル・レンズ・アレイ）が用いられ、上下視差（垂直視差）も含める場合には、光線制御素子としてピンホール・アレイ或いはレンズ・アレイが用いられる。

光線制御素子を用いる方式は、さらに２眼式、多眼式、超多眼式（多眼式の超多眼条件）、インテグラル・イメージング（以下、ＩＩとも云う）式に分類される。２眼式は両眼視差に基づいて立体視させているが、多眼式以降の三次元映像は、程度の差はあれ運動視差を伴うことから、２眼式の立体映像と区別して三次元映像と呼ばれている．これらの三次元映像を表示するための基本的な原理は、１００年程度前に発明され三次元写真に応用されるインテグラル・フォトグラフィ（ＩＰ）の原理と実質的に同一である。

これら方式の中、ＩＩ方式は、視点位置の自由度が高く、楽に立体視できるという特徴がある。水平視差のみで垂直視差をなくした１次元ＩＩ方式では、非特許文献１に記載されているように、解像度の高い表示装置も比較的容易に実現できる。これに対し、２眼方式或いは多眼方式では、立体視できる視点位置を限定することで、１次元ＩＩ式に比べて解像度を高くしやすく、視点位置から取得した画像のみで三次元画像を生成できることから、映像を作成するための負荷も低くなるが、視点位置が限られているために、見にくいという問題がある。

このような視差バリアを用いた直視型裸眼三次元表示装置においては、視差バリアの１方向の周期構造と、平面表示装置にマトリクス状に設けられた画素を隔てる非表示部、又は、画素のカラー配列の水平方向（第１の方向）の周期構造が光学的に干渉することによるモアレ或いは色モアレが発生するという問題がある。その対策として、光線制御素子の周期性を与える方向が画素の周期性が与えられた方向に対してある角度を成している方式、即ち、視差バリアが斜めに傾けられている方法が知られている（特許文献１）。しかしながら、視差バリアに傾きを与えるだけでは、モアレは完全に解消できないことから、拡散成分を追加してモアレを解消する方法も提案されている（特許文献２）。しかし、この方法は、視差情報の分離を悪くすることから、画質の低下が避けられないとされている。

米国特許第６,０６４,４２４号公報 特開２００５−８６４１４号公報

SID04 Digest １４３８ （２００４）

上述のように、周期性が１方向に限定された光線制御素子とマトリクス状に画素が設けられた平面表示装置を組み合わせた従来の三次元映像表示装置においては、光線制御子の周期性と平面表示装置との第１の方向の周期性が互いに干渉して輝度ムラ（モアレ）が発生する。モアレを解消する方法として、光線制御素子の周期性の方向と画素の周期性の方向との間に角度をなす、即ち、光線制御素子を斜めに傾ける方法がある。しかし、この方法にあっても、傾きによってはモアレが完全には解消しないという問題がある。

この発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的は、周期性が１方向に限定された光線制御素子と平面表示装置とを組み合わせた三次元映像表示装置において、光線制御素子の傾きを制御することで、モアレを解消し、画質低下を抑制した三次元映像表示装置を提供することにある。

実施例によれば、
第１の方向とこれに直交する第２の方向に沿ってサブ画素がマトリクス状に配列された表示部と、前記表示部に対向して設置され、前記第２の方向に対してある角をなすように略直線状に延出されている複数の光学的開口部を備えた光線制御素子を備え、前記サブ画素は、辺の長さが１：３の比を有する略長方形に形成され、このサブ画素が前記第１の方向に沿って３つ並設されたセットで、略正方形の画素を形成している三次元映像表示装置において、
前記光学的開口部の延出方向と前記第２の方向とがなす前記ある角は、arctan（５+１／５）からarctan（５+２／５）の第１の範囲、arctan（５+３／５）からarctan（５+４／５）の第２の範囲及びarctan（６+１／５）からarctan（６+２／５）の第３の範囲のいずれかの範囲内であることを特徴とする、三次元映像表示装置が提供される。

また、実施形態によれば、
上記実施形態において、前記光学的開口部の伸長方向と、前記第1の方向とのなす角が、概略arctan（５+１／４）、arctan（５+３／４）及びarctan（６+１／４）のいずれかに選定されることを特徴とする三次元映像表示装置が提供される。

更に、実施形態によれば、
上記実施形態において、前記光学的開口部の伸長方向と、前記第1の方向とのなす角が、概略arctan（５+１／３）、arctan（５+２／３）及びarctan（６+１／３）のいずれかに選定されることを特徴とする記載の三次元映像表示装置が提供される。

また、実施形態によれば、
第１の方向とこれに直交する第２の方向に沿ってサブ画素がマトリクス状に配列された表示部と、前記表示部に対向して設置され、前記第２の方向に略直線状に延び、前記第１の方向に配列されている多数の光学的開口部を備えた光線制御素子を備えた三次元映像表示装置において、
開口部を無限小と仮定した場合の光線の輝度変化の周期と、実際の開口幅を概略一致させたことを特徴とする三次元映像表示装置が提供される。

三次元映像表示装置を構成する平面画像を表示する表示部の一部分を拡大し、かつ、視差バリアの方向と画素の垂直の並び方向とが一致した状態における説明図である。 図１において観察角を変えてみた場合の、輝度変化を示す模式図である。 三次元映像表示装置を構成する平面画像を表示する表示部の一部分を拡大し、かつ、光線制御素子の方向と、画素の垂直の並び方向がなす角がａｒｃｔａｎ（１／３）の状態の説明図である。 図３において観察角を変えてみた場合の、輝度変化を示す模式図である。 光線制御素子の方向と画素の垂直の並び方向がなす角がａｒｃｔａｎ（１／４）の状態の説明図と輝度変化を示す模式図である。 光線制御素子の方向と、画素の垂直の並び方向がなす角がａｒｃｔａｎ（１／５）の状態の説明図と輝度変化を示す模式図である。 光線制御素子の方向と、画素の垂直の並び方向がなす角がａｒｃｔａｎ（１／６）の状態の説明図と輝度変化を示す模式図である。 光線制御素子の方向と、画素の垂直の並び方向がなす角がａｒｃｔａｎ（１／７）の状態の説明図と輝度変化を示す模式図である。 実施の形態に係るｎの値とモアレの発生状況との関係を示す説明図である。 実施形態の三次元映像表示装置の構造を概略的に示す斜視図である。

以下、実施の形態に係る三次元映像表示装置について図面を参照して説明する。

図１０は、一実施の形態に係る三次元映像表示装置を示している。この三次元映像表示装置は、所謂ＩＩ（インテグラル・イメージング）方式に係り、ＩＩ方式に係る三次元映を観察させる為に二次元画像が表示される二次元画像表示装置（所謂2次元画像表示パネル）１００を備えている。この二次元画像表示装置１００の全面には、光線制御素子５としての視差発生用レンズ・アレイ（シリンドリカル・レンズアレイ）が配置され、二次元画像表示装置１００からの光線がこの光線制御素子（遮光バリア或いは視差バリア）５によって制御されて観察者(図示せず）に向けられている。観察者がこの光線制御素子５で選択された光線を裸眼で視認することによって、この三次元映像表示装置の前方に(或いは背面）に三次元映像を観察することができる。

ここで、二次元画像表示装置１００は、三次元映像を表示させる為の要素画像で構成される2次元映像が表示され、この2次元映像が配分されるサブ画素がマトリックス状に配置されて表示パネルを備えている。二次元画像表示装置１００は、このような表示パネルを備えるものであれば、直視型或いは投影型の液晶表示装置或いはプラズマ表示装置、又は、電界放出型表示装置或いは有機ＥＬ表示装置等で構成されても良い。また、光線制御素子５は、略水平方向（略第１方向）に沿って周期性を有して配置され、略垂直方向（略第２方向）に沿って延出されているスリット或いはレンチュキュラーレンズ・アレイ（シリンドリカル・レンズアレイ）で構成される。このような三次元映像表示装置では、略水平方向（略第１方向）に沿って視差が与えられた要素画像が二次元画像表示装置１００に表示され、この要素画像からの光線が略水平方向（略第１方向）に配列されている光線制御素子５で制御されて三次元映像を生成する為の光線が光線制御素子５から観察側に向けて射出されている。

図１は、一実施の形態に係る三次元映像表示装置における平面画像を表示する表示部（表示パネル）１００の画素を拡大して概略的に示す拡大図である。

表示部１００は、水平並びに垂直方向に沿ってマトリックス状に配列されたサブ画素１から構成され、このサブ画素１は、開口部２と遮光部３から成っている。サブ画素１は、辺の長さが１：３（短辺：長辺）の比を有する長方形（矩形形状）に形成され、このサブ画素１が第１の方向に３つ並設されたセットで画素を形成している。この表示部１００の各画素では、３つのサブ画素上にそれぞれ、Ｒ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）を表示する為にカラー・フィルタが設けられている。バックライト（図示せず）から射出された光線は、この開口部２を経由することで、色がＲＧＢのいずれかに定められた光線となり表示部の前方に照射され、光線制御素子５を通過することで光線となって、三次元画像を表示する。図１では光線制御素子５の稜線を破線１５で示している。サブ画素１は、光線が射出される開口部２及びこの開口部２を囲堯して光線を遮光する遮光部（所謂ブラックストライプに相当する。）３を有している。

従来技術で説明したように、光線制御素子５の配列方向とサブ画素１の開口が配列される方向とが略一致する構造では、観察角によって、光線制御素子５を経由して見える開口部２の割合が変動し、輝度変化（モアレ）が生じる虞がある。即ち、角度の変化に伴い輝度が著しく変化される虞があり、この様子が図２に示されている。

光線制御素子５の配列方向とサブ画素１の開口が配列される方向とが角度を成す構造においては、従来技術で説明したように、輝度変化（モアレ）を抑制することができるが、その抑制も限界があることが判明している。図３は、このように光線制御素子５の稜線１５と表示部１００の画素の垂直方向がなす角がａｒｃｔａｎ（１／３）に設定されている場合について示している。このようにある角度（ｎ）を成すことで、光線制御素子５を経由して見える開口部の割合の変動は、抑制されるが、図４に示すように輝度変化（各サブ画素からの輝度の和）が残ることとなる。

さらに考察すると、サブ画素１は、辺の長さが１：３の長方形で、光線制御素子５の傾きがその稜線１５と、表示部の画素の垂直方向がなす角をａｒｃｔａｎ（１／３）に設定していることから、図３に示した第１から第３の画素行で輝度変化の位相が一致している。

以上の結果からわかるように、光線制御素子を傾けることは、輝度ムラ（モアレ）を抑制することに効果があるが、それだけで完全にモアレを解消することはできないことが理解される。考察に基づき、画素行ごとに位相をずらす（光線制御素子経由で見える位置の周期性を無くする）必要がある。光線制御素子の稜線１５と、表示部の画素の垂直方向がなす角をａｒｃｔａｎ（１／ｎ）とした場合、周期性については、ｎが整数値のときに最も高く、ｎを整数値でなくすることで、低下できる。例えば、整数値及び整数でない場合を以下に示す。以下の説明において、式（ｎ＋b/a)におけるｎ、ａ及びｂは、整数であり、ａ＜ｂである。以下の例示では、ａは、２，３．４，５である。

ｎ＝整数値
（ｎ＋b/a)＝整数値＋１／２
（ｎ＋b/a)＝整数値＋１／３
（ｎ＋b/a)＝整数値＋１／４
（ｎ＋b/a)＝整数値＋１／５
・・・
一方、ｎが整数値（b/a=０)のときのメリットとして、三次元画像表示用画像情報の作成負荷が低いことと、画質が高いことがあげられる。三次元画像表示用の画像を生成するには、まず異なる角度から撮影した多視点画像を用意し、これを画素単位で分解し、光線制御素子の背面のサブ画素群に、観察角度に応じた画素情報が見えるようにレイアウトする。多視点画像と光線制御素子越しに観察される画素のサンプリング点が一致していると最も効率が良いが、多視点画像を含め一般的な画像のフォーマットが、垂直と垂直のサンプリング方向が直交し、かつ、サンプリング間隔が等しいのに対し、光線制御素子を傾けた場合には、サンプリング位置の不一致が生じる。このために、光線制御素子のサンプリング位置に応じて多視点画像をサンプリングしなおす画像処理過程が追加される。これは、三次元画像表示用画像情報の作成負荷を増すとともに、画質の低下を引き起こす。そのような中でも、ｎを整数値の場合は、周期的にサンプリングが一致する部分が発生する。すなわち、周期性が高いことは、画質低下の抑制をも意味している。

最後に、画素情報同士のクロストークについて述べる。図５（ａ）〜図８（ａ）には、それぞれ、光線制御素子の稜線１５と、表示部の画素の垂直方向がなす角がａｒｃｔａｎ（１／４）、ａｒｃｔａｎ（１／５、）ａｒｃｔａｎ（１／６、）ａｒｃｔａｎ（１／７）に設定した場合における、光線制御素子５を経由して見える開口部の割合の変化を夫々図５（ｂ）〜図８（ｂ）に図示している。図２では、観察角の変化に応じて見える画素情報が完全に分離している。これは三次元画像の側面への切り替わりが不連続であることを意味する。すなわち、光線制御素子５を傾けることで、隣接した画素の情報（視差情報）の切り替わりを連続的にできることから、観察角に応じて、滑らかに側面の画像に切り替わる三次元画像を提供することができる。しかしながら、その角度を傾けすぎると、例えば、図８に示すように、ひとつ挟んで隣接した視差画像同士も混入することとなり、今度は視差の分離が不完全になる。これも三次元画像の画質低下につながることとなる。

以上の分析及び考察をまとめると、視差バリアの傾きに伴うサンプリングの周期性と、モアレの解消性、画質、画像処理負荷の関係は、以下の表１のようになる。この表１においては、モアレについての実際の見え方が追記している。

この表１から明らかなように、適量のクロストークで、モアレを抑制する範囲としては、ｎ＝整数値とｎ＝整数値＋１／２とその近傍（図９にモアレ発生の三角の矢印(斜線の三角矢印）で示される値）を除いた以下の範囲に設定される。

５＋１／５＜（ｎ＋b/a)＜５＋２／５ （図９におけるＡの範囲）
５＋３／５＜（ｎ＋b/a)＜５＋４／５ （図９におけるＢの範囲）
６＋１／５＜（ｎ＋b/a)＜６＋２／５ （図９におけるＣの範囲）
これらを除外した範囲においても、モアレを視認限界以下に抑制する（図９に示されるモアレ皆無を示す白抜きの丸で示される値）ことを重視した場合は、
（ｎ＋b/a)＝５＋１／４
（ｎ＋b/a)＝５＋３／４
（ｎ＋b/a)＝６＋１／４
のいずれかが選定されることが好ましい。一方、画質低下と画像処理負荷増加を抑制することを重視した場合には、
（ｎ＋b/a)＝５＋１／３
（ｎ＋b/a)＝５＋２／３
（ｎ＋b/a)＝６＋１／３
のいずれかから選定された傾きが特に有用である。このとき、輝度変動が残るため、モアレは薄く発生するが、輝度変動の周期と光線制御素子の開口幅（バリアの場合は開口幅、レンズの場合はスポットサイズ）を一致させると、これを抑制することができる。但し、開口部から見える領域は、有限の視距離の場合、透視度を考慮する必要があることから、視距離に応じてこの領域が変動される。このため、光線制御素子の開口幅によるモアレ抑制は、完全な方法ではない。しかしながら、薄いモアレを解消するには有効な手段である。

以上の方法により、光線制御素子を垂直に設置した三次元映像表示装置において、表示妨害であるモアレ、画質低下、画像処理負荷増大を抑制し、かつ、適度なクロストークにより、滑らかな運動視差を実現することができ、総合的な三次元映像の画質が向上することができる。

これらの実施形態又は実施例によれば、周期性が１方向に限定された光線制御素子と第１及び第１の方向に直交する第２の方向（垂直並びに水平方向）にマトリクス状に画素が設けられた平面表示装置を組み合わせた三次元映像表示装置において、画質低下をすることなくモアレを解消することができる三次元映像表示装置を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１．．．サブ画素、２．．．開口部、３．．．遮光部、４．．．画素、５．．．光線制御素子、１５．．．光線制御素子（遮光バリア）の稜線方向、１００．．．表示部

Claims (3)

1. 第１の方向とこれに直交する第２の方向に沿ってサブ画素がマトリクス状に配列された表示部と、前記表示部に対向して設置され、前記第２の方向に対してある角をなすように略直線状に延出されている複数の光学的開口部を備えた光線制御素子を備え、前記サブ画素は、辺の長さが１：３の比を有する略長方形に形成され、このサブ画素が前記第１の方向に沿って３つ並設されたセットで、略正方形の画素を形成している三次元映像表示装置において、
   前記光学的開口部の延出方向と前記第２の方向とがなす前記ある角は、arctan（５+１／５）からarctan（５+２／５）の第１の範囲、arctan（５+３／５）からarctan（５+４／５）の第２の範囲及びarctan（６+１／５）からarctan（６+２／５）の第３の範囲のいずれかの範囲内であることを特徴とする、三次元映像表示装置。
2. 前記光学的開口部の延出方向と、前記第２の方向とのなす角が、概略arctan（５+１／４）、arctan（５+３／４）及びarctan（６+１／４）のいずれかにあることを特徴とする請求項１に記載の三次元映像表示装置。
3. 前記光学的開口部の延出方向と、前記第２の方向とのなす角が、概略arctan（５+１／３）、arctan（５+２／３）及びarctan（６+１／３）のいずれかあることを特徴とする請求項１に記載の三次元映像表示装置。

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