JP5767502B2 - 立体映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、特殊なメガネを必要としないで３次元映像（立体再生映像）を再生して表示する立体映像表示装置に関する。

一般に、任意の視点から自由に見られる立体映像方式として、インテグラルフォトグラフィ（Integral Photography、以下ＩＰと記載する場合がある）方式が知られている。このＩＰ方式は、例えば、図１２に示すような撮影装置１００と、図１３に示すような表示装置２００とにより３次元映像を撮影して表示するようにしている。図１２に示すように、撮影時には、撮影装置１００は、撮影用の要素レンズ１２０₁，１２０₂ …，１２０_i，…，１２０_nが面内に配列された撮影用の要素レンズ群１２０を介して被写体Ｗを撮影する。撮影装置１００では、撮像素子１３０上に各撮影用の要素レンズ１２０_iによって被写体Ｗの像（要素画像１４０₁，１４０₂，…，１４０_i，…，１４０_n）が形成され、被写体Ｗの要素画像群１４０が撮影される。

図１３に示すように、表示時には、表示装置２００が用いられ、被写体Ｗを撮影した要素画像群１４０が表示された表示素子１５０を、表示用の要素レンズ１６０₁，１６０₂，…，１６０_i，…，１６０_nからなる要素レンズ群１６０を通して見ることで、被写体Ｗの３次元映像（立体再生映像）Ｗａが観測される。ただしこの場合、観測者Ｗｍには、被写体Ｗの凹凸が逆転した３次元映像Ｗａが観測されていることになる。この被写体Ｗの凹凸が逆転する問題を回避する手法として、撮影用の要素レンズ１２０₁〜１２０_nを凸レンズではなく、長さを光の蛇行周期の３／４とした屈折率分布レンズ（GRadient INdexレンズ：GRINレンズ）を用いる方法（例えば、特許文献１参照）や、各要素画像を電子的に１８０度回転させる方法（例えば、非特許文献１）などが提案されている。

しかし、前記した構成の３次元映像の表示装置２００では、表示素子の画素数が、３次元映像の解像度、３次元映像を見られる範囲である視域、及び、３次元映像の奥行き範囲に振り分けられるので、つぎのようなことについて考慮する必要があった。すなわち、表示装置２００では、表示素子１５０の画素数を一定とした場合、３次元映像の解像度、視域および奥行き範囲の情報がトレードオフの関係となる。そのため、表示装置２００において、３次元映像の解像度と奥行き範囲を維持したまま視域のみを広げる広視域化を図るには、表示素子１５０の画素数を上げることが必要となる。しかし、表示装置２００において、表示素子１５０の画素数を向上させるには、高解像度の表示素子を新規に開発する必要があり、高コストとなる問題がある。

このような問題に関して解決する手法として従来、つぎのような構成が提案されている。すなわち、表示装置において、１つの高解像度の表示素子を用いるのではなく、複数の表示素子を組み合わせて用いることで、表示系全体の総画素数を増やす方法がある。例えば、特許文献２で提案されている表示装置では、複数の表示素子からの要素画像群をレンズ及び駆動手段を介して１つのレンズアレイに重ね合わせて投射することで、表示系全体の画素数を増やしている。このような構成により、表示装置では、３次元映像の品質 （３次元映像の解像度、視域および奥行き範囲） を改善できることが知られている。

特開平１０−１５０６７５号公報 特開２００７−３１６１７０号公報

F. Okano et al., "Real-time pickup method for a three-dimensional image based on integral photography," Applied Optics, Vol. 36, No. 7, pp. 1598-1603 （1997）

しかし、前記した従来の表示装置では、複数の表示素子からの要素画像群をレンズ及び駆動手段を介して１つのレンズアレイに重ね合わせて投射するに際して、プロジェクタから照射される光が指向性を有するといった特徴を利用している。つまり、前記した従来の表示装置は、光が指向性を有する場合に使用されるプロジェクタを用いた投射型表示系に限定されてしまい、光の伝搬方向を制御できないような直視型表示を行う構成の装置に対応することができなかった。また、従来の表示装置では、駆動手段を使用してレンズを振動させて広視域化を図っているが、本来の表示装置のようにレンズを振動させる駆動手段を備えることなく、広視域化を図ることが望まれていた。

本発明は、前記した問題点に鑑み創案されたもので、表示素子の画素数を一定とした場合において、３次元映像の解像度と奥行き距離を維持して、投射型表示系に限定されることなく、また、駆動手段を必要とせず、要素画像の幅と高さの比率を変えることで特定方向の視域角を拡大することができる立体映像表示装置を提供することを課題とする。

本発明に係る立体映像表示装置は、前記課題を解決するため、以下に示すような構成とした。すなわち、インテグラルフォトグラフィ方式の３次元映像を表示するために、要素画像群を表示する表示手段と、前記表示手段から焦点距離を隔てた位置に前記表示手段と対面するように設置面が設定されるとともに、前記要素画像群からの光線を集光し、３次元映像を再生する要素光学素子群と、を備える立体映像表示装置であって、前記要素画像群上の各要素画像の長辺が前記要素光学素子の幅を超え、かつ、前記各要素画像の短辺が前記要素光学素子の幅未満である長方形の形状であるとともに、当該各要素画像が当該長方形の長辺方向を基準線の方向として一列に整列し要素画像列を形成し、前記要素光学素子群において、当該要素光学素子群に含まれる各要素光学素子のうち互いに接して一列に配置される要素光学素子列の中心直線が前記基準線に対して角度を持つように、前記要素光学素子列が前記設置面上で傾斜させた状態で配置され、隣り合う前記要素光学素子で隙間無く隣り合って表示されるように前記各要素画像の長辺と短辺との比率が設定される構成とした。

いうなれば、立体映像表示装置は、被写体を撮影する撮影側の光学系により特定方向に長い形状（長方形）に形成して整列する複数の要素画像、又は、計算により被写体の要素画像の特定方向に長い形状に形成した複数の要素画像、を表示する表示手段と、この表示手段に焦点距離を隔てて対面して設置され前記表示手段により表示される前記要素画像から変換して３次元映像を再生するための要素光学素子をアレー状に配置した要素光学素子群とを備え、前記基準線上に中心が配置される前記要素光学素子において、前記要素光学素子を中央にして隣り合う当該要素光学素子までの間に前記長方形の前記要素画像が形成され、当該要素画像を用いて３次元映像を表示する立体映像表示装置であって、前記要素光学素子群は、前記要素光学素子の中心を結んだ位置で隣接して一列に整列する要素光学素子列の中心直線を、特定方向に長い形状の前記要素画像に対応するように、前記基準線に対して、平面内において所定角度傾斜させた状態で前記要素光学素子が配置される構成とした。

かかる構成により、立体映像表示装置は、特定方向に長い形状（長方形）に形成した要素画像を表示手段により表示すると、要素光学素子の中心直線を基準線に対して所定角度傾斜させた要素光学素子列の状態になるように要素光学素子を整列して、前記長い形状に形成した要素画像に対応して、要素光学素子群を形成しているため、当該基準線に沿って要素光学素子の中心が位置する要素光学素子の間に亘って長い要素画像を再生させることができる。また、立体映像表示装置は、要素画像を再生するための要素光学素子の間隔を広くして要素画像を再現し、全体としては要素画像の数が要素光学素子の数に対応するように構成されている。そのため、立体映像表示装置は、３次元映像の解像度と奥行き距離を維持しながらも、３次元映像の特定方向の視域を広くすることができる。

また、前記立体映像表示装置は、前記要素光学素子群において、前記基準線に沿って中心が位置する要素光学素子に亘って前記要素画像列が配置するように（当該立体映像表示装置が表示する立体映像の視域の中心から観察者が装置方向を見たとき、前記各要素画像の中心の位置と、対応する前記各要素光学素子の中心の位置とがそれぞれ一致するように）、前記要素画像列における各要素画像の境界と、当該要素画像列と隣り合う他の要素画像列における各要素画像の境界との要素画像列方向のずれ量に応じて、前記要素光学素子列の前記設置面上での傾斜角度が設定される構成とした。

かかる構成により、立体映像表示装置は、要素画像の長い形状（長方形）に合わせて、要素光学素子列の傾斜角度を設定することで、基準線に沿った位置に中心が位置する要素光学素子を配置して、長方形の要素画像に対応して当該長方形の要素画像を再生して、視域の広さを調整することが可能となる。

さらに、前記立体映像表示装置においては、前記配列が俵積み配列であり、前記傾斜角度が、３０度、１９．１度、１３．９度の何れかとすることができる。
このように、立体映像表示装置は、水平線又は垂直線からの所定傾斜角度を変えることで、長い形状の要素画像に対応して、視域の広い３次元映像を表示することができる。

また、前記立体映像表示装置において、前記要素光学素子は、要素凸レンズ、要素シリンドリカルレンズ、要素スリット、ピンホール、フレネルゾーンプレート、凸レンズとして作用するフレネルレンズ、シリンドリカルレンズとして作用するフレネルレンズ、屈折率分布レンズ、組み合わせレンズ、キノフォーム、ホログラフィック光学素子、のいずれかであってもよい。
かかる構成により、立体映像表示装置は、装置の構成により適宜要素光学素子を選択して適切なものを使用することができる。

そして、前記立体映像表示装置において、前記表示手段により表示される要素画像は、前記基準線の方向が前記表示手段の幅方向であり、前記立体元映像が前記表示手段の高さ方向の視域が幅方向より小さくなるように再生される。また、前記立体映像表示装置において、前記表示手段により表示される要素画像は、前記基準線の方向が前記表示手段の高さ方向であり、前記３次元映像が前記表示手段の幅方向の視域が高さ向より小さくなるように再生される構成とした。
かかる構成により、立体映像表示装置は、３次元映像の水平視域又は垂直視域を広くとることが可能となる。

本発明に係る立体映像表示装置は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
立体映像表示装置は、ＩＰ方式において、表示素子の画素数を一定として、３次元映像の解像度と奥行き距離を維持したまま、特定方向の視域を広げることができる。
また、立体映像表示装置は、多眼方式において、表示素子の画素数を一定として、３次元映像の解像度を維持したまま、特定方向の視域を広げることができる。
さらに、立体映像表示装置は、直視型あるいは投影型のいずれにおいても視域を広げて３次元映像を表示することができる。

本発明に係る立体映像表示装置を模式的に示す分解斜視図である。 本発明に係る立体映像表示装置の視域の範囲を示す模式図である。 本発明に係る立体映像表示装置を示し、（ａ）は表示手段における要素画像と要素レンズとの関係を模式的に示す模式図、（ｂ）は要素画像の形状を従来と比較して示す模式図、（ｃ）は、基準線である水平線に対する要素レンズ列の中心直線の傾斜角度と要素画像の形状との関係を示す模式図である。 本発明に係る立体映像表示装置における要素レンズの配列と要素画像の特定方向の長さとの関係を説明する説明図である。 本発明に係る立体映像表示装置で使用する要素画像を形成する場合の一構成例である撮影装置の光学系の配置を示す模式図である。 本発明に係る立体映像表示装置で使用する要素画像を形成する場合の一構成例である撮影装置における遮光壁面の開口を決めるための模式図である。 本発明に係る立体映像表示装置で使用する要素画像を形成する場合の一構成例である撮影装置における遮光壁面の開口を決めるための模式図である。 本発明に係る立体映像表示装置で使用する要素画像を形成する場合の一構成例である撮影装置における要素レンズ列と要素画像の関係を示す模式図である。 本発明に係る立体映像表示装置の要素光学素子列における中心直線と水平線との傾斜角度と、要素画像の大きさの関係を示すグラフ図である。 本発明に係る立体映像表示装置の要素レンズ列における中心直線と水平線との傾斜角度と要素画像の視域角度の関係を示すグラフ図である。 （ａ）は、本発明に係る立体映像表示装置からの観察方向に対する３次元映像の状態を模式的に示す模式図であり、（ｂ）は、立体映像表示装置の要素画像を水平方向に整列させる場合を模式的に示す模式図、（ｃ）は、立体映像表示装置の要素画像を垂直方向に整列させる場合を模式的に示す模式図である。 従来のＩＰ方式の撮影装置を示す模式図である。 従来のＩＰ方式の表示装置を示す模式図である。

以下、本発明に係る立体映像表示装置について、図面を参照して説明する。
なお、各図において、要素画像や要素光学素子等の構成について模式的に示している。また、立体映像表示装置１の概略と、要素画像Ａ（Ａ₁，Ａ₂，…Ａ_i，…Ａ_n）を形成するための方法として撮影装置５０の光学系により撮影した例とを先に説明して、その後に立体映像表示装置１の詳細を説明する。なお、立体映像、立体再生映像、３次元映像は同じ意味で使用する。

図１に示すように、立体映像表示装置１は、ＩＰ方式により被写体Ｗ（図５参照）の要素画像Ａ（Ａ₁，Ａ₂，…Ａ_i，…，Ａ_n）から３次元映像Ｗａを表示するものである。この立体映像表示装置１は、要素画像Ａ（Ａ₁，Ａ₂，…Ａ_i，…，Ａ_n）からなる要素画像群Ａａを表示する表示手段１０と、この表示手段１０に対面して設置面が設置された要素光学素子群としての要素レンズ群２０と、を備えている。
表示手段１０は、予め被写体Ｗを撮影して、あるいは、予め被写体Ｗを従来の構成から計算機により形成して生成した要素画像Ａ₁〜Ａ_nを図示しない記憶手段から読み出して表示している。ここでは、先に被写体Ｗを撮影装置５０で形成した例を図５〜図８を参照して説明する。

図１における要素画像Ａ₁〜Ａ_nは、例えば、図５に示すように、撮影装置５０により立体映像表示装置１の要素レンズの水平視域角を拡大して撮影される。この撮影装置５０の遮光壁面ＳＤの開口ＯＰにより被写体Ｗからの光を制御することで、特定方向に長い形状（長方形）の要素画像Ａを撮影する。ここでは、撮影装置５０において、要素レンズ列ＲＬの中心直線ＣＬが基準線ＳＬに対して３０度の角度をもつときに、要素画像が基準線ＳＬに沿って形成される要素画像Ａとなるように開口ＯＰを設定する一例を説明する。

図５に示すように、水平視域角を拡大するための撮像光学系を備える撮影装置５０は、被写体Ｗから焦点距離を隔てた位置に配置した第１レンズＬ１と、この第１レンズＬ１の焦点距離Ｆ₁を隔てた位置に配置した開口ＯＰを形成した遮光壁面ＳＤと、この遮光壁面ＳＤから焦点距離Ｆ₂を隔てた位置に配置した第２レンズＬ２と、この第２レンズＬ２から焦点距離Ｆ₂を隔てた位置に配置した撮影用要素レンズ群２０Ｒａと、この撮影用要素レンズ群２０Ｒａから焦点距離ｆを隔てた位置に配置した第３レンズＬ３と、この第３レンズＬ３の焦点距離Ｆ₃の位置に配置した例えば撮影手段である撮影カメラＫＡと、を備えている。

この撮影装置５０では、図５に示すように、被写体Ｗからの光がレンズＬ１により集光され、開口ＯＰを有する遮光壁面ＳＤであるアパーチャにより被写体Ｗの物体光の入射角度が制限され、第２レンズＬ２によりコリメート（平行光化）される。そして、撮影用要素レンズ群２０Ｒａに入射され、後焦点距離の位置に要素画像群Ａａ（図１参照）を形成する。また、撮影用要素レンズ群２０Ｒａの後焦点距離の位置には、いわゆるフィールドレンズＬ３が挿入してあり、被写体Ｗからの光を撮影カメラＫＡ側に曲げるように作用する。撮影カメラＫＡに取り付けられているカメラレンズは、要素画像群Ａａにピントを合わせてあり、要素画像群Ａａを撮影する。撮影カメラＫＡの位置に関して、図５ではフィールドレンズＬ３の後焦点距離の位置としたが、この位置に制限されるものではない。

第１レンズＬ１と第２レンズＬ２は、いわゆる、奥行き制御光学系を構成しており、撮影用要素レンズ群２０Ｒａから遠い被写体Ｗを撮影用要素レンズ群２０Ｒａ付近に結像させるために用いられる。これらのレンズ間の距離は、Ｆ₁＋Ｆ₂である。ここで示す、Ｆ₁とＦ₂はそれぞれ第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の焦点距離である。また、奥行き制御光学系の倍率Ｍは、Ｍ＝Ｆ₁／Ｆ₂となる。なお、図５では、被写体Ｗと撮影用要素レンズ群２０Ｒａをそれぞれ第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の前焦点距離と後焦点距離の位置にそれぞれ設置しているが、この配置に制限されるものではない。

フィールドレンズＬ３は要素画像群Ａａの全体が撮影できるように挿入するものであって、撮影用要素レンズ群２０Ｒａと撮影カメラＫＡの間には、フィールドレンズＬ３の代わりに、複数のレンズからなるレンズ系が挿入されていてもよい。また、フィールドレンズＬ３の代わりに、拡散スクリーンを用いてもよい。また、撮影用レンズ群２０Ｒａが小さい場合は、フィールドレンズＬ３を挿入しなくてもよい。

そして、撮影装置５０（図５参照）は、図８に示すように、撮影用要素レンズ群２０Ｒａが、要素レンズＲ₁，Ｒ₂，…Ｒ_i，Ｒ_nの中心を結んだ要素レンズ列ＲＬの中心直線ＣＬを、予め設定した基準線ＳＬ（水平線ＨＬ）から所定角度φ₁だけ傾斜するように、当該要素レンズＲ₁〜Ｒ_nを配置している。撮影装置５０は、ここでは、その一例として要素レンズ列ＲＬの中心直線ＣＬが水平線ＨＬに対して３０度の角度を持つように要素レンズＲ₁〜Ｒ_nを配列して構成されている。また、撮影用要素レンズ群２０Ｒａは、その要素レンズＲ₁〜Ｒ_nが俵積み配列（３つの要素レンズの中心を結ぶと正三角形となるデルタ配列）の関係になるように設定されている。

ここでは、要素レンズ列ＲＬの中心直線ＣＬが基準線ＳＬ（水平線ＨＬ）に対して３０度の角度を持つようになったときに、基準線ＳＬに沿って並ぶ要素画像Ａの中心が要素レンズＲの中心に対して配置されるように、かつ、要素画像Ａの視域を広げて撮影するように準備される。そのために、撮影装置５０において遮光壁面ＳＤの開口ＯＰ（図５参照）は、要素レンズ列ＲＬが基準線ＳＬに対して３０度の角度を持ったときに表示される要素画像群Ａａが取得できる大きさに設定されることになる。
なお、撮影装置５０は、撮影用要素レンズ群２０Ｒａに対応し、広視域化される要素画像Ａの幅Ｗ_h（φ₁）と高さＷ_v（φ₁）を導出して、その導出した要素画像Ａの幅Ｗ_h（φ₁）と高さＷ_v（φ₁）から遮光壁面ＳＤの開口ＯＰの幅Ａ_h（φ）と高さＡ_v（φ）とを決定する。

ここからは、図６〜図７に示した各パラメータについて、図８を用いて説明する。
図６は、撮影用要素レンズ群２０Ｒａが俵積み配列であり、要素レンズ列ＲＬの傾斜角φ₁を３０度とした場合の要素画像群Ａａの配置を表す。なお、以下の導出では、撮影用要素レンズ群２０Ｒａにおける要素レンズ列の中心直線ＣＬの基準線ＳＬに対する傾斜角がφ₁＝３０度の場合のみを示す。また、フィールドレンズＬ３と撮影カメラＫＡは省略してある。
はじめに、要素画像Ａの幅ｗ_h（φ₁）を導出する。図８中においてｘ軸及びｙ軸を水平軸及び垂直軸として示す座標において、水平方向（中心直線ＣＬ方向）の要素レンズＲのレンズピッチＰ_h（φ₁）は、つぎの式（１）となる。

ここで、ｐは、図８で示すように、撮影用要素レンズ群２０Ｒａの要素レンズＲの中心点ＣＰ間におけるレンズピッチであり、ｘ₁とｙ₁は図８よりそれぞれ３ｐ／２と、（√３）ｐ／２とである。要素画像同士がオーバーラップせずに設置できる最大の幅をｗ_h（φ₁）とすると、式（２）となる。

次に、要素画像Ａの高さｗ_v（φ₁）を導出する。長方形の要素画像を隙間なく配置することを考えると、要素画像Ａの面積は撮影用要素レンズ群２０Ｒａの傾斜角に依存せず一定となる。傾斜角が０度の場合、図８に示すように、幅ｗｈ（０）と高さｗ_v（０）がそれぞれｐと（√３）ｐ／２の要素画像を設置することができる。よって、制約条件として、次の式（３）が成り立つ。以上より、次式の式（４）を得る。

つぎに、他の要素画像とのクロストークが生じないための条件を導出する。要素画像Ａの幅ｗ_h（φ₁）と高さｗ_v（φ₁）を超えて入射される光線は、他の要素画像Ａとのクロストークとなるため、取り除く必要がある。水平方向と垂直方向において、入射を許容する光線の最大入射角をそれぞれθ_h（φ₁）とθ_v（φ₁）とすると、次の式（５）、式（６）となる。

ここで、ｆは撮影用要素レンズ群２０Ｒａの焦点距離を表す。式（５）と式（６）で表わされる角度以上で入射する光を除去することができれば、他の要素画像Ａとのクロストークは生じない。
他の要素画像Ａとのクロストークを除去するために、奥行き制御光学系内（第２レンズＬ２の前焦点距離の位置）に開口ＯＰを形成した遮光壁面ＳＤであるアパーチャを挿入する場合を考える。図６及び図７に示すように、撮影装置５０は、遮光壁面（アパーチャ）ＳＤの開口ＯＰについて、水平方向と垂直方向の大きさをそれぞれＡ_h（φ₁）とＡ_v（φ₁）とすると、式（５）及び式（６）より、つぎの式（７）及び式（８）となる。

以上のようにして、式（７）及び（８）で示される大きさの開口ＯＰを持つ遮光壁面（アパーチャ）ＳＤを、図６及び図７に示すように、撮影装置５０の奥行き制御光学系内（第２レンズＬ２の前焦点距離の位置）に挿入することで、他の要素画像Ａとのクロストークを取り除くことができる。
このようにして遮光壁面ＳＤの開口ＯＰの縦横の寸法を決めて、撮影装置５０により要素画像群Ａａ（図１参照）を撮影し、その撮影した要素画像群Ａａを表示手段１０で表示するようにしている。ここで撮影装置５０により撮影された要素画像Ａは、特定方向に長い形状（長方形）として形成されている。
なお、図５〜図７では，撮影用レンズ群２０Ｒａが凸レンズである場合を示した。この場合、３次元映像にいわゆる奥行き反転現象が生じる。この問題を避けるためには、各要素画像Ａを１８０度回転させればよい。

つぎに、前記した撮影装置５０で撮像した要素画像群Ａａを用いて立体映像表示装置１で３次元映像を表示する構成の詳細について説明する。
図１及び図２に示すように、表示手段１０は、撮影装置５０で撮影した要素画像群Ａａを表示するものである。この表示手段１０は、例えば、要素画像群Ａａを表示する液晶表示装置（ＬＣＤ）や平面ＣＲＴなど既存のものである。なお、表示手段１０は、直視型あるいは投影型で要素画像群Ａａを表示させるものであっても構わない。

この表示手段１０は、図２で示すように、被写体Ｗを一般的な設備の光学系で形成した１つの要素画像ａ１が要素レンズＲ（Ｒ₁，Ｒ₂，…Ｒ_i，…，Ｒ_n）の一つの範囲で円形のエリアで示されるのに対して（図３（ｂ）参照）、つぎのように要素画像Ａを表示している。つまり、表示手段１０は、要素レンズＲの一つから基準線ＳＬに沿って要素レンズＲの中心点ＣＰが配置される左右の要素レンズＲまでの間において、長方形の要素画像Ａが形成されるようにし、その長方形の長辺方向に一列で要素画像Ａが整列するように表示している。そして、図１及び図３（ｃ）に示すように、表示手段１０は、要素画像列ＡＬと次の列の要素画像列ＡＬとでは、要素画像Ａの位置が長辺方向において所定長さずれた位置関係となるように表示されている。

図１及び図２に示すように、表示手段１０に対面して焦点距離ｆ（要素レンズ焦点距離）の位置に設置面が設置される要素光学素子群は、一例として、ここでは、凸レンズである要素レンズＲ（Ｒ₁，Ｒ₂，…Ｒ_i，…，Ｒ_n）をアレー状に配置した要素レンズ群２０を使用している。そして、要素レンズ群２０は、要素レンズＲの中心点（光軸中心）ＣＰを結んで形成される中心直線ＣＬが、予め設定された水平線（基準線ＳＬ）ＨＬに対して所定角度傾斜させた状態で要素レンズＲを配置している。要素レンズ群２０は、ここでは、要素レンズ列ＲＬの中心直線ＣＬを水平線ＨＬに対して、３０度傾斜した状態で配置されている。

そして、要素レンズ群２０は、焦点距離を隔てた位置に表示手段１０が位置するように設置されている。表示用の要素レンズ群２０は、要素レンズ列の中心直線ＣＬが水平線ＨＬに対して、ここでは３０度の傾斜角度を持つように配置され、かつ、当該３０度の方向に平行で隣接する要素レンズ列ＲＬに対して互いに要素レンズＲ間に配置される俵積み配列となるように設置されている。なお、図１において、基準線ＳＬに沿って要素レンズＲの中心点ＣＰ間における矢印の範囲をレンズピッチとして示している。このレンズピッチ間に亘る基準線ＳＬの方向に沿って要素画像列ＡＬが形成されている。このレンズピッチ間に亘る基準線ＳＬの方向おいて、要素画像Ａの中心が要素レンズＲの中心点ＣＰと一致（要素レンズＲと要素画像Ａが対面）し、さらに要素画像Ａの境界が配置されるように、要素レンズ列ＲＬが配列されている。

要素レンズ列ＲＬの中心直線ＣＬの基準線（水平線ＨＬ、垂直線ＶＬ）ＳＬに対する所定傾斜角度の範囲は、要素画像Ａの形状により決定する。つまり、要素画像Ａの形状により要素レンズ列ＲＬの中心直線ＣＬの基準線ＳＬに対する傾斜角度が決まり、設定できる範囲として、俵積み配列の場合には、０度、６０度、１２０度、１８０度、２４０度、３００度を除く傾斜角度の範囲で設定される。中心直線ＣＬの基準線ＳＬに対する傾斜角度が０度、６０度、１２０度、１８０度、２４０度、３００度の時には、基準線ＳＬと平行又は直交する同じ角度になってしまうので、適用できない。したがって、俵積み配列の要素レンズ列ＲＬの中心直線ＣＬの基準線ＳＬに対する所定傾斜角度の範囲は、０度、６０度、１２０度、１８０度、２４０度、３００度を除く傾斜角度の範囲である。なお、俵積み配列の場合では、６０度を超える角度においては、０度から６０度までのある傾斜角度と同じ傾斜状態となる。これは、要素画像Ａの形状が、６０度の周期で変化するためである。

図１に示すように、この要素レンズ群２０は、水平線ＨＬに沿って平行に、要素レンズＲの中心点ＣＰが位置する中心直線ＣＬ上において隣り合う要素レンズＲまでの間で要素画像Ａを形成するように構成されている。要素レンズＲ1の中心に要素画像Ａ1の中心が対応するようになり、要素レンズＲ1の左右に亘って当該要素画像Ａ1の左右に長い長方形部分が表示されるように対応している。つまり、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、要素画像Ａが従来の円形のエリアで示される要素画像と比較して特定方向（水平方向）に長い長方形であるので、要素レンズ列ＲＬの中心直線ＣＬが基準線ＳＬに対してここでは３０度の角度を持つように構成されることで、要素画像Ａの長方形の長辺と短辺との比率が、隣り合う要素レンズＲで隙間無く隣り合って対応して表示することができるようになる。

ここで、要素レンズ列ＲＬの中心直線ＣＬが基準線ＳＬに対して、他の傾斜角度になったときの関係について、図４に示す。図４に示すように、中心直線ＣＬが基準線ＳＬ（ＨＬ、ＶＬ）に対して所定角度φ₁（３０度）、φ₂（１９．１度）、φ₃（１３．９度）のように角度が変化したときに、要素画像Ａの形状も徐々に細長いに近づく関係になっていることが分かる。この長方形の領域で示す要素画像Ａは、どの傾斜角度であっても、一定の面積となるように形成されることになる。ここでは、要素画像Ａは、撮影装置５０（図５参照）により３０度で示す傾斜角度の場合に適切に表示できる状態で撮影されたので、表示する場合にも撮影側に対応する要素レンズＲの配列状態とすることで、要素画像Ａを隣接する要素レンズＲにおいて隙間無く整列させた状態で表示することができる。

図９には、立体映像表示装置１において、俵積み配列による要素レンズ列ＲＬの傾斜角度と、要素画像の長方形の長さとの関係について示している。なお、要素画像の大きさは、要素レンズのピッチにより正規化してある。図９において、縦軸に単位がないのは正規化された数値であることによる。
水平方向と垂直方向の視域角は、それぞれ以下の式（９）、式（１０）のように表わすことができる。

ここで、φは傾斜角度、ΩｈとΩｖはそれぞれ水平方向と垂直方向の視域角を表す。この式より、傾斜角が０の場合、すなわち要素画像の長辺が１の場合と比較して、傾斜角度を変えることにより、水平方向の視域角を広げられることがわかる。

以上のように、立体映像表示装置１は、前記した構成の表示手段１０及び要素レンズ群２０を備えていることで、水平方向に視域が広い３次元映像を表示することができる。つまり、図１１に示すように、ＩＰ方式により他の条件（表示手段１０から要素レンズ群２０までの距離、要素レンズＲの数）を一定にした状態で広視域化が可能となる立体映像表示装置１とすることが可能となる。

図１１（ａ）及び図２に示すように、立体映像表示装置１は、作動する場合、表示手段１０をオンにして、要素画像Ａ（Ａ₁，Ａ₂，…Ａ_i，…，Ａ_n）から構成される要素画像群Ａａが表示されると、要素画像群Ａａの光が、要素レンズＲ（Ｒ₁，Ｒ₂，…Ｒ_i，…，Ｒ_n）から構成される要素レンズ群２０を通ることで、被写体Ｗの３次元映像Ｗａが形成されて観察者Ｗｍから観察できるようになる。ここで、表示手段１０の表示面と要素レンズ群２０の間の距離は、おおよそ要素レンズＲの焦点距離程度としている。したがって、観察者は、立体映像表示装置１が表示する３次元映像Ｗａの視域の中心から装置方向を見たとき、被写体Ｗ（図５参照）を３次元映像（立体再生映像）Ｗａとして観察することができる。また、観察者は、３次元映像Ｗａを表示画面中央の観察位置から左右に所定量移動した位置から観察しても、広視域化した要素画像Ａにより３次元映像Ｗａが再生されていることから、従来よりも広いエリア範囲において３次元映像Ｗａを観察することが可能となる。なお、立体映像表示装置１は、要素画像Ａの形状において、垂直方向の視域は、水平方向の視域よりも小さくなる。

また、立体映像表示装置１は、要素画像Ａと要素レンズＲとは、装置中央では中心と中心が一致した状態で配列されている。しかし、立体映像表示装置１では、厳密には、周縁に位置する要素画像Ａと要素レンズＲとの関係は、表示する３次元映像Ｗａの視域の中心から観察者Ｗｍが見てつぎのようになっている。すなわち、要素画像Ａと要素レンズＲとの関係は、装置の中央から放射状に周縁に向かうにしたがって、徐々に要素画像Ａの中心が要素レンズＲの中心よりも周縁側になるようにずれて配置されている（図１１（ａ）参照）。立体映像表示装置１では、このような関係になることで視域が広がるように配置されることは従来の装置でも一般に用いられている構成である。そして、立体映像表示装置１では、要素画像Ａを長方形にすることと、その要素画像Ａを表示するように整列して、広視域となる状態で、さらに、従来の要素画像Ａと要素レンズＲとの周縁側の位置関係も採用してより広い視域を確保することが可能となる。

以上説明した立体映像表示装置１においては、以下のような各構成であっても構わない。立体映像表示装置１は、ここでは、要素レンズ群２０として凸レンズを所定の方向でアレー状に配列した例として説明したが、例えば、要素シリンドリカルレンズ、要素スリット、ピンホール、フレネルゾーンプレート、凸レンズとして作用するフレネルレンズ、シリンドリカルレンズとして作用するフレネルレンズ、屈折率分布レンズ、組み合わせレンズ、キノフォーム、ホログラフィック光学素子のいずれかを、アレー状に前記要素レンズと同等に配置した構成であってもよい。

また、立体映像表示装置１は、いわゆる奥行き反転処理を行っていない要素画像群Ａａを表示する場合は、要素レンズＲを、正立像を結像する機能を持つレンズまたは組み合わせレンズ、キノフォーム、ホログラフィック光学素子とすればよい。

また、撮影用要素レンズ群２０Ｒａは、図中において要素レンズＲがいわゆる俵積み配列（デルタ配列）となっているが、正方配列、つまり、所定傾斜角度の要素レンズ例の中心直線ＣＬに沿って要素レンズＲの位置が隣接する位置の要素レンズＲと同じ位置になるように配列することや、あるいは、同心配列（中心の要素レンズＲの周りに同じ円となるように他の要素レンズＲを配置して各要素レンズＲの間隔を一定にしている配列）など他の配列であってもよい。また、要素画像Ａは水平方向に長いものを記述したが、この方向は任意でよい。

なお、要素レンズ列ＲＬが正方配列である場合には、中心直線ＣＬの基準線（水平線ＨＬ、垂直線ＶＬ）ＳＬに対する所定傾斜角度の範囲は、０度、９０度、１８０度、２７０度を除く傾斜角度となる。０度、９０度、１８０度、２７０度の時には、基準線ＳＬと同じまたは直交する傾斜角度になってしまうので適用できない。したがって、正方配列の要素レンズ列ＲＬの中心直線ＣＬの基準線ＳＬに対する所定傾斜角度の範囲は、０度、９０度、１８０度、２７０度を除く傾斜角度とする。なお、正方配列における所定傾斜角度は、０度を超え９０度未満の角度の範囲である。要素レンズ例ＲＬは、９０度を超える角度では、９０度未満のときのいずれかの角度と同じ傾斜角度に対応することになる。これは要素画像の形状が、傾斜角度に関して９０度周期で変化することによる。

また、ここでは、基準線ＳＬに対して要素レンズ列ＲＬの傾斜角度を３０度の傾斜を持つように構成することとして説明したが、他の角度であっても構わない。基準線ＳＬに沿って表示される要素画像列ＡＬの各要素画像Ａの境界と、隣接する要素画像列ＡＬの各要素画像Ａの境界との列方向（基準線ＳＬ方向）のずれ量に対応して、要素レンズ列ＲＬの中心直線ＣＬと基準線ＳＬとの傾斜角度が設定されている。基準線ＳＬに対する要素レンズ列ＲＬの中心直線ＣＬとの傾斜角度は、図１０で示す関係から、あるいは、図４、図５〜図８において説明したように設定することで、３０度以外の角度で配置することができる。

さらに、図１１（ｃ）に示すように、基準線ＳＬに対して要素画像Ａが垂直方向に長い形状（長方形）の要素画像列ＡＬが表示されるように、表示手段１０及び要素レンズ群２０を配置するようにしても構わない。
このように、立体映像表示装置１は、予め設定した水平線ＨＬに直交する垂直線ＶＬに対して、中心直線ＣＬが前記した範囲において所定角度で傾斜することで、垂直方向の広視域角を実現することができる。

要素画像Ａに対応する要素レンズＲは、例えば、要素レンズ列ＲＬの中心直線ＣＬが基準線ＳＬに対して３０度に傾斜している場合に、水平方向の要素レンズ間の距離は、従来の要素レンズの配列における要素レンズ間の水平方向の距離が図８に示すようにｐであるのに対して、（√３）ｐとなる。一方、要素レンズ間の垂直方向における距離は、（１／２）ｐとなることがわかる。そして、要素画像Ａの長辺方向に沿って整列させた状態の要素画像群Ａａを撮像側で撮影あるいは形成して、表示手段１０に受け渡して表示させることができる。

なお、要素画像群Ａａの取得方法は、要素画像Ａを撮影装置５０で形成せずに、図示しない計算機等により形成することとしても構わない。また、以下に示すような手法により撮影あるいは形成することであってもよい。例えば、（１）３次元モデルから生成する、（２）特許文献２に記載された要素画像群撮影装置により撮影し、特定方向に長い要素画像の要素画像群に変換する、（３）撮影時も同等に要素レンズ群を傾斜させて適用し、かつ要素レンズ群と撮像素子間に遮光壁を挿入して撮影する、（４）撮影時も同等に要素レンズ群を傾斜させて適用し、かつ要素レンズ群の前焦点距離の位置にアパーチャ群を挿入して撮影する、（５）要素画像を内挿により特定方向に長い形状（長方形）に引き延ばす等、どのような方法であってもよい。

また、図１１（ｃ）に示すように、垂直視域を拡大した構成では、基準線となる垂直線ＶＬに対して所定角度傾斜させることで、垂直方向に視域を拡大することが可能となる。ここで、要素画像群Ａａを構成する要素画像Ａは垂直視域を拡大するために、垂直方向に長い長方形であるものとする。なお、中心直線ＣＬに対する傾斜角度を示す場合に、傾斜角度の基準となる基準線ＳＬは、水平線ＨＬであっても垂直線ＶＬであってもよく、基準線の向きは表示する画像により任意に設定することで構わない。

さらに、ＩＰ方式により３次元映像を表示することについて説明したが、多眼方式（１次元ＩＰ方式を含む）による広視域立体映像表示装置であっても構わない。多眼方式では特定方向の視差のみを有する。そのため、要素レンズ群２０を構成する要素レンズＲとして、シリンドリカルレンズを適用する。前記シリンドリカルレンズは、視差を有する方向に集光作用があるように設置する。要素画像群Ａａを構成する要素画像Ａは、視域を拡大する方向に長いものとし、その方向に直交する方向の視差が拡大する方向よりも小さいか、あるいは視差を有さないものとなる。

また、要素画像Ａは、長方形の外径線を描く範囲の情報として示したが、要素画像Ａの中心と要素レンズ（要素光学素子）の中心点ＣＰとが一致するように表示手段１０に表示可能であれば、特定方向に要素光学素子の大きさを超えて長い形状において、例えば、ひし形、長い楕円形や多角形など任意の形でよい。

１ 立体映像表示装置
１０ 表示手段
２０ 要素レンズ群
２０Ｒａ 撮影用要素レンズ群
５０ 撮影装置
Ａ（Ａ₁，Ａ₂，…Ａ_i，…，Ａ_n） 要素画像
Ａａ 要素画像群
ＡＬ 要素画像列
ＣＬ 中心直線
ＣＰ 中心点
ＣＳ 中心線
ＨＬ 水平線
ＫＡ 撮影カメラ（撮影手段）
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ
ＯＰ 開口
Ｒ（Ｒ₁，Ｒ₂，…，Ｒ_i，…，Ｒ_n） 要素レンズ
ＲＬ 要素レンズ列
ＳＬ 基準線
ＳＤ 遮光壁面
ＶＬ 垂直線
Ｗ 被写体
Ｗａ ３次元映像
Ｗｍ 観測者
ａ１ 要素画像（従来）

Claims (6)

1. インテグラルフォトグラフィ方式の立体映像を表示するために、
   要素画像群を表示する表示手段と、
   前記表示手段から焦点距離を隔てた位置に前記表示手段と対面するように設置面が設定されるとともに、前記要素画像群からの光線を集光し、立体映像を再生する要素光学素子群と、
   を備える立体映像表示装置であって、
   前記要素画像群上の各要素画像の長辺が前記要素光学素子の幅を超え、かつ、前記各要素画像の短辺が前記要素光学素子の幅未満である長方形の形状であるとともに、当該各要素画像が当該長方形の長辺方向を基準線の方向として一列に整列し要素画像列を形成し、
   前記要素光学素子群において、当該要素光学素子群に含まれる各要素光学素子のうち互いに接して一列に配置される要素光学素子列の中心直線が前記基準線に対して角度を持つように、前記要素光学素子列が前記設置面上で傾斜させた状態で配置され、
   隣り合う前記要素光学素子で隙間無く隣り合って表示されるように前記各要素画像の長辺と短辺との比率が設定されること、
   を特徴とする立体映像表示装置。
2. 前記要素光学素子群において、前記基準線に沿って中心が位置する要素光学素子に亘って前記要素画像列が配置するように、
   前記要素画像列における各要素画像の境界と、当該要素画像列と隣り合う他の要素画像列における各要素画像の境界との要素画像列方向のずれ量に応じて、前記要素光学素子列の前記設置面上での傾斜角度が設定される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体映像表示装置。
3. 前記要素光学素子群における各要素光学素子の配列が俵積み配列であり、前記基準線に対する前記傾斜角度が、３０度、１９．１度、１３．９度の何れかであること、
   を特徴とする請求項２に記載の立体映像表示装置。
4. 前記要素光学素子は、要素凸レンズ、要素シリンドリカルレンズ、要素スリット、ピンホール、フレネルゾーンプレート、凸レンズとして作用するフレネルレンズ、シリンドリカルレンズとして作用するフレネルレンズ、屈折率分布レンズ、組み合わせレンズ、キノフォーム、ホログラフィック光学素子、のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の立体映像表示装置。
5. 前記基準線の方向が前記表示手段の幅方向であり、前記立体映像は、前記表示手段の高さ方向の視域が幅方向より小さくなるように再生されることを特徴とする請求項３に記載の立体映像表示装置。
6. 前記基準線の方向が前記表示手段の高さ方向であり、前記立体映像は、前記表示手段の幅方向の視域が高さ方向より小さくなるように再生されることを特徴とする請求項３に記載の立体映像表示装置。

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