JP5253563B2 - 立体映像表示装置および表示方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、立体映像表示装置および表示方法に関する。

裸眼方式の立体映像表示装置が開発されている。この裸眼方式の立体映像表示装置は、画素がマトリクス状に配列された画面を有する平面表示部と、この平面表示部の画面の前面に設けられ、画素からの光線を屈折させることが可能な光線制御子とを備えている。光線制御子は例えば複数のシリンドリカルレンズがその長手方向と直交する方向に並列に配置された構成を有している。

この裸眼方式の立体映像表示装置において、光線制御子として、屈折率を変化させることが可能なアクティブレンズを用いることにより、立体映像と２次元映像の切り換え表示が可能であること知られている。

また、部分的に立体映像と２次元映像とを切り換えることが可能な立体映像表示装置が知られている。しかし、立体映像表示部分を映像の内容によって微調整することは行われていない。

裸眼方式の立体映像表示装置においては、シリンドリカルレンズの稜線を表示画面の列方向に対して傾けて配置する、または画素形状を変えることにより、モアレは解消できる。しかし、立体映像表示装置の製造する際の製造誤差により、モアレがわずかに発生し、階調や色が平坦な領域でモアレが視認されやすいという問題がある。

特開２００４−２５８６３１号公報 特開２０１０−０７８６５３号公報

本実施形態は、階調や色が平坦な領域でもモアレの発生を抑制することのできる立体映像表示装置および表示方法を提供する。

本実施形態の立体映像表示装置は、画素がマトリクス状に配列された表示面を有する表示パネルと、前記表示パネルの前面に配置され前記画素からの光線を制御し、前記表示面のフォーカス状態を部分的に切り替え可能なアクティブレンズと、入力された画像からデフォーカス処理すべき領域を検出するデフォーカス領域検出部と、前記デフォーカス領域検出部によって検出されたデフォーカスすべき領域に対して、前記画素が前記アクティブレンズの焦点面に位置する状態を基準として焦点距離をずらすデフォーカス処理を行うように、前記アクティブレンズを駆動する駆動部と、を備えている。

第１実施形態による立体映像表示装置を示すブロック図。 アクティブレンズ２０の第１具体例を示す図。 第１具体例のアクティブレンズ２０を表示パネルの前面に設けた例を示す図。 図４（ａ）、４（ｂ）は、ＧＲＩＮレンズを説明する図。 複屈折レンズを説明する図。 デフォーカス処理の一例を説明する解像度上限曲線。 デプスマップおよび単調度マップを説明する図。 第２実施形態による立体映像表示装置を示すブロック図。

以下に図面を参照して実施形態を説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態による立体映像表示装置を図１に示す。この第１実施形態の立体映像表示装置は、画像入力部２と、単調領域／デプス検出部３と、部分切替駆動部５と、画像出力部６と、表示パネル１０と、アクティブレンズ２０と、を備えている。

表示パネル１０は、画素がマトリクス状に配列された平面表示パネルであって、例えば、液晶表示パネル、プラズマ表示パネル、有機ＥＬパネル等が用いられる。

アクティブレンズ２０の第１具体例を図２に示す。この第１具体例のアクティブレンズ２０は、液晶ＧＲＩＮ（gradient index）レンズであって、平行に配置される２枚の透明基板２８の一方に共通透明電極２６が設けられ、他方に櫛状電極２７が設けられている。これらの透明基板２８間に液晶層２５、例えばネマティック液晶、ブルー相液晶等が挟持されている。電極２６、２７に電圧を印加する方法は、電極２６、２７を２端子として、交流電圧を印加する場合と、櫛状電極２７を偶数ライン、奇数ライン毎の組として、３端子として交流電圧を印加する場合がある。

どちらの方法にしろ、両電極２６，２７間に電圧を印加することで電界の空間分布が生じ、偏光方向２２を有する偏光成分に対して、ピッチｐ、焦点距離ｆを有するレンズ作用が生じる。したがって、偏光方向２２を有する直線偏光は、アクティブレンズ２０内で軌跡が曲げられる。

液晶層２５の配向状態は、分子長軸の方向がｘｚ面内に対して変化するために、直交する偏光成分２３に対しては電圧の印加状態に関わらずレンズ作用を持たない。したがって、偏光成分２３はアクティブレンズ２０内で直進する。なお、実際には、電界分布を適正に制御するための誘電体層、配向膜などが電極と液晶との界面に設けられるが、これらは、図２においては図示していない。

このようなアクティブレンズ２０を、例えば表示パネル１０として液晶表示パネルの前面に用いた例を図３に示す。図３に示すように、液晶パネル１０の画素１９が、アクティブレンズ２０の焦点距離ｆに位置するように配置することで、ｘ軸方向に偏光成分を有する直線偏光に対しては、レンチキュラー型の立体映像表示装置を構成することができる。なお、図３においては、液晶パネル１０は、透明基板間に液晶を挟持した液晶セル１３の前後を偏光板１２、１４で挟んだ構造を有している。

次に、アクティブレンズ２０の第２具体例について説明する。この第２具体例のアクティブレンズ２０は凸型液晶レンズタイプであって、例えば、特開２０１０−７８６５３号公報の図１に記載された光線制御子と、偏光可変セルとから構成される。画素がマトリクス状に配列された平面表示装置の前面に光線制御子が配置され、平面表示装置と光線制御子との間に偏光可変セルが配置された構成となっている。この偏光可変セルは、単純マトリクス駆動によって駆動される（特開２０１０−７８６５３号公報の図７参照）。そして、表示画面の部分的領域（ウィンドウ）選択して、アクティブレンズ２０のＯＮ／ＯＦＦやフォーカス状態を切り替えることができる（特開２０１０−７８６５３号公報の図９参照）。

このようなアクティブレンズを用いた裸眼方式の立体映像表示装置では、表示パネルの画素とレンズのピッチの干渉効果によるモアレが発生しやすい。このため、通常は画素形状やレンズの角度を適切に設計し、モアレが抑制されるようにする。しかし、製造誤差等によりモアレが完全に解消しない場合が多い。このように解消しきれず薄く残ったモアレは、階調／色が平坦な領域で視認されやすいが、他の領域ではほとんど視認されず気にならない。

また、薄いモアレはレンズのフォーカスを表示パネルの画素からわずかに外す（デフォーカスする）ことにより解消できる。一般的に、デフォーカスすると立体映像においてボケや立体感低下が起こるが、階調／色が平坦な領域ではデフォーカスによる画像の変化は小さく、問題とならない。

そこで本実施形態では、画像入力部２を介して入力された画像を解析して階調／色が平坦な領域を単調領域／デプス検出部３によって検出し、検出された階調／色が平坦な領域に、フォーカス状態の部分切り替えが可能なアクティブレンズ２０に電圧を、部分切替駆動部５を介して印加しデフォーカス処理するように制御を行う。このとき、画像入力部２を介して入力された画像データは画像出力部６に送られ、表示パネル１０に表示される。本実施形態では、階調／色が平坦な領域をデフォーカス処理する制御を行うので、モアレを視認できないようにすることができる。このように領域を選択してデフォーカスすれば、画像全体として立体感低下やボケは問題とならない。

階調／色が平坦であるかどうかの判断基準は、発生するモアレの空間周波数や輝度変動幅よりも小さいかどうかが目安となる。例えば、空間周波数が５５インチ画面において２ｃｍ周期、輝度変動が１％のモアレが出る場合、２ｃｍ周期より短い変動が１％以下の場合にデフォーカス処理を行えばよい。デフォーカス処理は、例えば輝度変動が０．５％以下になるように、焦点距離を０．５ｍｍから１ｍｍ程度ずらせばよい。焦点距離の制御は、部分切り替えが可能なＧＲＩＮレンズの複数の電極に異なる組み合わせの電圧を印加したり、部分切り替えレンズ制御用偏光スイッチングセルに異なる電圧を印加したりすることにより行う。

また、アクティブレンズを用いた裸眼方式の立体映像表示装置では、多方向に出射される光線の密度によって表示解像度が制限されるため、飛び出しや奥行きの大きい部分ほど解像度が低下しボケが発生する。しかし、飛び出しや奥行きが大きい映像のボケは、レンズのフォーカスを表示パネルの画素からわずかに外す（デフォーカスする）ことにより低減できる（T. Saishu et al., Proc. SPIE Vol. 6778 67780E-1、または特開２００９−２３７４６１号参照）。

飛び出しのある映像の場合は焦点距離を短く、奥行きのある映像の場合は焦点距離を長くすることにより、ボケが低減される。本実施形態では、画像入力部２を介して入力された映像を解析して飛び出し／奥行き領域を単調領域／デプス検出部３によって検出する。そして、飛び出し／奥行きの大きな領域に、フォーカス状態の部分切り替えが可能なアクティブレンズ２０に異なる組み合わせの電圧を印加しデフォーカスする制御を行う。このとき、画像入力部２を介して入力された画像データは画像出力部６に送られ、表示パネル１０に表示される。本実施形態では、飛び出し／奥行きが大きな領域をデフォーカスする制御を行うので、これにより、ボケを低減することができる。飛び出し／奥行きが大きいかどうかの判断基準は、後述する図６（ａ）、６（ｂ）に示すような解像度上限曲線が１あるいはある値、例えば０．５を下回るかどうかが目安となる。例えば、５５インチ表示装置において解像度上限曲線が０．５となる飛び出し／奥行きが、表示面を基準として±１０ｃｍである場合、それより大きい飛び出し／奥行きである領域にデフォーカス処理を行えばよい。デフォーカス処理は、例えば焦点距離を０．５ｍｍから１ｍｍ程度ずらせばよい。焦点距離の制御は、フォーカス状態の部分切り替えが可能なＧＲＩＮレンズの複数の電極に異なる組み合わせの電圧を印加したり、部分切り替え可能なレンズ制御用偏光スイッチングセルに異なる電圧を印加したりすることにより行う。

本実施形態でアクティブレンズ２０として用いられるＧＲＩＮレンズを図４（ａ）、４（ｂ）を参照して説明する。図４（ａ）は表示パネル１０の前面に配置されたＧＲＩＮレンズ２０を示す断面図であり、図４（ｂ）はＧＲＩＮレンズの部分拡大図である。表示パネル１０の前面に配置されるＧＲＩＮレンズ１１０は、２つの透明基板１５１、１５３と、これらの透明基板１５１、１５３間に挟持された液晶層１５２とを備えている。透明基板１５３に対向する透明基板１５１の面には、第１方向に沿って平行に配列された複数の電極１５５が設けられている。また、透明基板１５１に対向する透明基板１５３の面には、第１方向と直交する第２方向に沿って平行に配列された複数の電極１５４が設けられている。すなわち、電極１５４と電極１５５は単純マトリクス型の電極を構成する。

このように構成されたＧＲＩＮレンズ１１０において、図４（ｂ）に示すように、液晶層１５２の液晶の配列状態を、複数の電極１５４、１５５に印加する電圧を変更することによって、ＧＲＩＮレンズ１１０の焦点距離を無限遠（レンズＯＦＦ状態）から、表示パネルの画素付近になるように変更することができる。符号１１４、１１５は、ＧＲＩＮレンズ１１０の焦点距離が画素付近に変更した場合の光線を示す。このように、ＧＲＩＮレンズの電極１５４、１５５に印加する電極を変更することにより、画素付近にレンズがＯＮ状態となるように微調整することが可能となる。これにより、３次元映像表示状態でモアレやボケを低減することができる。

本実施形態でアクティブレンズ２０として用いられる複屈折レンズ１１１および部分切り替え可能なレンズ制御用偏光スイッチングセル１１２について図５を参照して説明する。図５は複屈折レンズ１１１およびレンズ制御用偏光スイッチングセル１１２を示す断面図である。

複屈折レンズ１１１は表示パネル１０の前面に設けられ、レンズ制御用偏光スイッチングセル１１２は、表示パネル１０と複屈折レンズ１１１との間に設けられる。複屈折レンズ１１１は、表面にレンズ状の凹部が複数個形成された透明基板１６１と、透明基板１６３と、透明基板１６１と透明基板１６３との間に挟持された液晶層１６２とを備えている。なお、透明基板１６３にも液晶層１６２に対向する面にレンズ状の凹部が、透明基板１６１の凹部と対応する位置に設けられていてもよい。

レンズ制御用偏光スイッチングセル１１２は、２つの第１および第２透明基板間に液晶が挟持され、上記第１および第２透明基板にそれぞれ複数の第１および第２電極が設けられている。これらの第１および第２電極は互いに直交するように配置される。レンズ制御用偏光スイッチングセル１１２に印加する電圧を変更することによって、レンズの焦点距離を無限遠（レンズＯＦＦ状態）から、表示パネルの画素付近になるように変更することができる。符号１１４、１１５は、複屈折レンズ１１１の焦点距離が画素付近に変更した場合の光線を示す。このように、偏光スイッチング１１２の電極１５４、１５５に印加する電極を変更することにより、画素付近にレンズがＯＮ状態となるように微調整することが可能となる。これにより、３次元映像表示状態でモアレやボケを低減することができる。

図６（ａ）は解像度上限曲線の例である。画素に焦点距離が合った状態の曲線は１７２であり、焦点距離を短くした場合の曲線１７１では飛び出し側のボケが低減し、焦点距離を長くした場合の曲線１７３では奥行き側のボケが低減する。なお、図６（ｂ）は視聴者２００と、表示パネル１０との位置関係を示す上面図である。

図７（ａ）乃至図７（ｄ）を参照してデプスマップおよび平坦度（単調度）マップを説明する。図７（ａ）はもとの映像である。図７（ｂ）はデプスマップであり、奥行き側領域２１０が黒、飛び出し側領域２２０が白となっている。図７（ｃ）は単調度マップで、もとの映像で階調や色が平坦（単調）な領域２３０が白で表示し、細かい領域２３５を黒で表示している。図７（ｄ）は図７（ｂ）図７（ｃ）を元にデフォーカス処理する領域を示したマップの例で、白で示す部分領域２３０は単調であるためデフォーカス処理を行い、グレーで示す領域２４０は飛び出し／奥行きに応じてデフォーカスを行い、黒で表示する領域２４５はデフォーカス処理しない。デフォーカス制御可能な領域が矩形に限定される場合は、図７（ｄ）のデフォーカス処理領域を近似的に対応させる。

以上説明したように、本実施形態によれば、階調／色が平坦な領域をデフォーカス処理する制御を行うので、モアレを視認できないようにすることができる。このように領域を選択してデフォーカスすれば、画像全体として立体感低下やボケは問題とならない。

また、本実施形態では、飛び出し／奥行きが大きな領域をデフォーカスする制御を行うので、これにより、ボケを低減することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態による立体映像表示装置について図８を参照して説明する。この第２実施形態の立体映像表示装置は、図１に示す第１実施形態において、ユーザ位置検出部４を設けた構成を有している。このユーザ位置検出部４は、通常表示パネル１０の枠に設けられ、ユーザ（視聴者）の表示パネルに対する位置を検出する。この位置の検出は、例えば、視聴者のフェイス（顔面）を検出することにより行う。

一般に、レンズを使用する裸眼方式の立体映像表示装置では視域が狭いため、フェイストラッキング機能により視域を広げる機能を備えるように構成することができる。本実施形態では、ユーザ位置検出部４によるフェイストラッキング機能により視域を広げる機能を備えている。

また、レンズのフォーカス状態は観察者の見る角度や距離に依存し、角度が大きい場合はもともとフォーカス状態が悪い場合があり、また、逆に良い場合もある。ある角度範囲や視距離についてはデフォーカス処理を行わないほうがよい場合もある。

このため、フェイストラッキングで角度のある視点から見る場合に、例えば正面から２０度以上角度がある場合、第１実施形態で説明したデフォーカス処理を行わない。また、フェイストラッキングである距離から見る場合に、例えば想定視距離が３Ｈの場合、それより近い場合は焦点距離を短く、遠い場合は焦点距離を長くとるように、第１実施形態で説明したデフォーカス処理を行う構成としてもよい。

この第２実施形態も第１実施形態と同様に、モアレを視認できないようにすることができるとともに、ボケを低減することができる。

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。これらの実施形態は、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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

２ 画像入力部
３ 単調領域／デプス検出部
４ ユーザ位置検出部
５ 部分切替駆動部
６ 画像出力部
１０ 表示パネル
２０ アクティブレンズ

Claims (6)

1. 画素がマトリクス状に配列された表示面を有する表示パネルと、
   前記表示パネルの前面に配置され前記画素からの光線を制御し、前記表示面のフォーカス状態を部分的に切り替え可能なアクティブレンズと、
   入力された画像からデフォーカス処理すべき領域を検出するデフォーカス領域検出部と、
   前記デフォーカス領域検出部によって検出されたデフォーカスすべき領域に対して、前記画素が前記アクティブレンズの焦点面に位置する状態を基準として焦点距離をずらすデフォーカス処理を行うように、前記アクティブレンズを駆動する駆動部と、
   を備えている立体映像表示装置。
2. 前記デフォーカスすべき領域は、階調または色が単調な領域であるか、または飛び出しおよび奥行き量が他の領域に比べて大きい領域である請求項１記載の立体映像表示装置。
3. 前記アクティブレンズはＧＲＩＮレンズであり、前記デフォーカス処理は、前記ＧＲＩＮレンズに異なる組み合わせの電圧を印加することにより行う請求項１記載の立体映像表示装置。
4. 前記アクティブレンズは、前記表示パネルの前面に設けられる複屈折レンズと、前記複屈折レンズと前記表示パネルとの間に設けられるレンズ制御用偏光スイッチングセルとを有し、前記デフォーカス処理は、前記レンズ制御偏光スイッチングセルに異なる組み合わせの電圧を印加することにより行う請求項１記載の立体映像表示装置。
5. 視聴者の位置を検出する位置検出部を更に備え、前記位置検出部によって検出された前記視聴者の位置を用いて前記デフォーカス処理を行うことを請求項１記載の立体映像表示装置。
6. 画素がマトリクス状に配列された表示面を有する表示パネルと、前記表示パネルの前面に配置され前記画素からの光線を制御し、前記表示面のフォーカス状態を部分的に切り替え可能なアクティブレンズと、を備えている立体映像表示装置に映像を表示する立体映像表示方法であって、
   入力された画像からデフォーカス処理すべき領域を検出するステップと、
   前記検出されたデフォーカスすべき領域に対して、前記画素が前記アクティブレンズの焦点面に位置する状態を基準として焦点距離をずらすデフォーカス処理を行うように、前記アクティブレンズを駆動するステップと、
   を備えている立体映像表示方法。