JP6598362B2 - 立体画像表示装置 - Google Patents
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Description
図1は、第1実施形態による立体画像表示装置の構成と、表示のための光線の光路を示す概略図である。なお、本実施形態の説明において、x軸、y軸、およびz軸で構成される直交座標系を用いる場合がある。x軸は、水平方向であって且つ画像の投射面に平行な方向であり、観察者側から投射面を見たときに向かって右側を正方向とする。y軸は、鉛直方向であって、上側を正方向とする。z軸は、水平方向であって且つ画像の投射面と垂直な方向であり、画像を投射する投射器側から観察者側に向かう方向を正方向とする。同図は、立体画像表示装置を上方向から(y軸の正側から負側を)平面視した場合の構成を示している。また、同図中に、x軸およびz軸の正方向を、それぞれ矢印とともに示している。
以下で、これら各部について個別に説明する。
なお、プロジェクター11(投射型表示装置)の代わりに直視型表示装置を用いても良い。また、画像表示装置12を、プロジェクター11で構成する代わりに、単一の高精細な2次元画像表示装置を用いて構成するようにしても良い。
投射光学系16は、多視点画像投射光学系15内に配置される光学系(レンズ等)であり、各々の多視点画像14に対応して一式の投射光学系16が設けられている。各々の投射光学系16は、多視点画像14を拡大投射し、第2結像面17上に結像させる。
つまり、多視点画像投射光学系15は、複数の多視点画像14の各々に対応し、多視点画像14を投射するものである。例えば、レンズアレイとアパーチャーアレイとを用いて多視点画像投射光学系15を構成するようにする。
光方向制御光学系18として、通常、垂直方向と水平方向とで焦点距離が同一であるレンズを用いる。ただし、光方向制御光学系18として、垂直方向の焦点距離と水平方向の焦点距離とが異なるレンズを用いてもよい。垂直方向と水平方向の焦点距離が異なる場合、出力する画像は、垂直方向または水平方向のいずれかに広がる。
このようにプロジェクターを千鳥状に配置することにより、例えば同図(a)のように直交格子状に配置する場合に比べて、最終的に出力される立体画像において、観察者に、プロジェクターの境界が認識されにくくなるという効果が得られる。つまり、出力される立体画像の質が向上する。プロジェクターの境界が観察者に認識され得る要因は、例えば、1台のプロジェクターから投射される画像の中央部分と周辺部分とで明度の差がある場合や、第1結像面13や第2結像面17の拡散板の光拡散特性などである。
このようにプロジェクターをシフト状に配置することにより、例えば同図(a)のように直交格子状に配置する場合に比べて、最終的に出力される立体画像において、観察者に、プロジェクターの境界が認識されにくくなるという効果が得られる。その理由は、上の千鳥状の配置に関して述べたことと同様である。
図3は、第1結像面13に表示される複数の多視点画像14の配列のパターン例を示す概略図である。同図は、観察者側から第1結像面を見た場合の正面図であり、横方向がx軸方向に、縦方向がy軸方向にそれぞれ対応する。同図において、破線で囲って示す領域31および33は、それぞれ、異なるプロジェクター11によって投射され得る画像の表示範囲である。ここでは、便宜上、領域31を表示範囲とするプロジェクターをプロジェクター11−1とし、領域33を表示範囲とするプロジェクターをプロジェクター11−2とする。領域31と領域33とは、一部が互いに重なり合っている。具体的には、図示する例では、領域31と領域33とは、それぞれ5行4列の多視点画像の領域を含み、各領域内では多視点画像は直交格子状配置パターンを成している(図2(a)に示したパターン)。そして、領域31の第4列と領域33の第1列とが、重なり合っている。また、領域31の各行と領域33の各行とは、その上端および下端の縦方向の位置が合っている。また、プロジェクター11−1によって表示される多視点画像(多視点画像14−1とする)をハッチングパターン有りで示す。そして、プロジェクター11−2によって表示される多視点画像(多視点画像14−2とする)をハッチングパターンなし(つまり白色)で示している。そして、同図に例示する配置パターンでは、領域31内の第4列において、第1行と第3行と第5行の多視点画像のみが、プロジェクター11−1によって投射される多視点画像14−1である。そして、領域33内の第1列(領域31内の第4列と重なる位置)において、第2行と第4行の多視点画像のみが、プロジェクター11−2によって投射される多視点画像14−2である。つまり、同図に例示するパターンにおいては、異なるプロジェクター11−1と11−2による表示領域の一部のみが重なり合っており、そしてその重なった領域において、両プロジェクターによる多視点画像が交互に配置されている。
次に第2実施形態について説明する。なお、上述の実施形態と共通の事項については説明を省略する場合があり、本実施形態特有の事項を中心に説明する。
図4は、第2実施形態による立体画像表示装置の構成と、表示のための光線の光路を示す概略図(斜視図)である。同図に示すように、立体画像表示装置2は、画像表示装置42と、第1結像面43と、多視点画像投射光学系45と、第2結像面47と、光方向制御光学系48とを含んで構成される。観察者は、光方向制御光学系48から出力される光を見て、立体画像を認識する。
図4において、個々の多視点画像44は、第1結像面43上の四角形として示されている。
第2結像面47には、拡散スクリーンが設けられている。
多視点画像投射光学系45に含まれ各多視点画像に対応した投射光学系46の光軸と、光方向制御光学系48の光軸とはシフトしているので、レンズシフト方式で投射結像するようにする。あるいは、多視点画像投射光学系45の後に大きなコンデンサーレンズを設けて、投射結像方向を制御してもよい。
もしくは、光方向制御光学系48の焦点距離を、各多視点画像44からの光が観察者の位置近辺に集光するように設定すれば、いわゆる多眼立体視の状態に近い光線再生となり、水平方向に(P×M)視点、垂直方向に(Q×N)視点の立体表示となる。
もしくは、光線再生をインテグラル立体と多眼立体の中間状態に設定してもよい。なお、本方式では、第2結像面47に設けられる拡散スクリーンの拡散特性が、立体像の解像度や輝度むらに影響を与えるために、各表示方式に応じて、スクリーンの垂直と水平方向の拡散特性を適宜設定することで、画質を向上させることができる。
次に第3実施形態について説明する。なお、前述の実施形態と共通の事項については説明を省略する場合があり、本実施形態特有の事項を中心に説明する。
図5は、第3実施形態による立体画像表示装置の構成と、表示のための光線の光路を示す概略図である。同図に示すように、立体画像表示装置3は、プロジェクター51と、レンズ系52と、第1結像面53と、多視点画像投射光学系55と、コンデンサーレンズ56と、第2結像面57と、光方向制御光学系58とを含んで構成される。観察者は、光方向制御光学系58から出力される光を見て、立体画像を認識する。
レンズ系52は、プロジェクター51からの投射光を屈折させる。プロジェクター51による投射光は、レンズ系52を経由することにより並行光に近い状態で第1結像面53に入力される。
第1結像面53は、レンズ系52からの光を結像させるためのスクリーンである。第1結像面53上には、複数の多視点画像54が結像する。
コンデンサーレンズ56は、多視点画像投射光学系55からの投射光の投射結像方向を制御する。
第2結像面57は、コンデンサーレンズ56からの光を結像させるためのスクリーンである。この第2結像面57には、拡散スクリーンを用いる。
光方向制御光学系58は、第2結像面から出力される光の光線方向を制御する。
なお、本実施形態では、第2結像面57の拡散スクリーンの後に光方向制御光学系58を配置しているが、この拡散スクリーンの前に光方向制御光学系58を配置してもよく、同じ効果を出すことができる。
次に第4実施形態について説明する。なお、前述の実施形態と共通の事項については説明を省略する場合があり、本実施形態特有の事項を中心に説明する。
図6は、第4実施形態による立体画像表示装置の構成と、表示のための光線の光路を示す概略図である。同図に示すように、立体画像表示装置4は、第1結像投射光学系61と、第2結像投射光学系62と、合成光学系63と、第2結像面67と、光方向制御光学系68とを含んで構成される。観察者は、光方向制御光学系68から出力される光を見て、立体画像を認識する。
光方向制御光学系68は、第2結像面67において合成結像した像を、立体再生する。
次に第5実施形態について説明する。なお、前述の実施形態と共通の事項については説明を省略する場合があり、本実施形態特有の事項を中心に説明する。
図7は、第5実施形態による立体画像表示装置の構成と、表示のための光線の光路を示す概略図である。同図に示すように、立体画像表示装置5は、第1結像投射光学系71と、第2結像投射光学系72と、第3結像投射光学系73と、合成光学系74と、第2結像面77と、光方向制御光学系78とを含んで構成される。観察者は、光方向制御光学系78から出力される光を見て、立体画像を認識する。立体画像表示装置5は、前実施形態における立体画像表示装置4と同様に、複数の結像投射光学系から投射される光を、合成光学系で合成し、第2結像面で結像させる。前実施形態における立体画像表示装置4が2系統の結像投射光学系からの光を合成していたのに対して、本実施形態の立体画像表示装置5においては、第1結像投射光学系71と第2結像投射光学系72と第3結像投射光学系73の3系統からの光を合成光学系74で合成する。合成光学系74としてはハーフミラーや偏光ビームスプリッタを用いる。図示するように、立体画像表示装置5は2個の合成光学系74を備える。そして、第1結像投射光学系71および第2結像投射光学系72からの光を、第1の合成光学系74が合成する。そして、この合成された光と、第3結像投射光学系73からの光とを、第2の合成光学系74が合成する。こうして合成された第1結像投射光学系71と第2結像投射光学系72と第3結像投射光学系73からの投射画像は、第2結像面で重畳して結像する。そして、光方向制御光学系78は、第2結像面77において合成結像した像を、立体再生する。
また、各原色(R,G,B)について、複数の結像投射光学系を割り当てても良い。
[変形例1]図3において第1結像面上での多視点画像群の配置を例示した。同図では直交格子状に多視点画像を配置するパターンを示し、そのパターンについて説明した。上述した各実施形態において、多視点画像群を直交格子状に配置する代わりに、例えば、千鳥状に配置したり、シフト状に配置したりするようにしても良い。そのために、プロジェクター11等から投射する画像内で、適切に多視点画像を配置するようにする。なお、ここでの「千鳥状」あるいは「シフト状」といった言葉の意味は、図2においてプロジェクターの配置に関して述べた「千鳥状」あるいは「シフト状」の意味と同様である。本変形例では、最終的に出力される立体画像において、観察者が明るさのムラ等を認識しにくくなる。つまり、最終的に出力される立体画像の質が向上する。
つまり、第1結像面における複数の多視点画像は、縦方向の配列の方向と横方向の配列の方向とが略直交する直交格子状配置、横方向の配列位置が1行おきに同じである千鳥状配置、または、横方向の配列位置が1行ごとに所定量シフトしていくシフト状配置、のいずれかの配置とすることができる。
図8は、変形例4における多視点画像の配置間隔について説明するための概略図(断面図)である。第3実施形態の場合を例にとり、図示するように、多視点画像の配置間隔(ピッチ)をpとする。隣接しあうこれら2つの多視点画像が、多視点画像投射光学系55およびコンデンサーレンズ56を通して第2結像面57で結像し、さらに光方向制御光学系58を透過した後に、両者光線がなす角度をθとする。また、多視点画像投射光学系55の主点から光方向制御光学系58の主点までの距離をLとする。pに対してLが充分に長い場合、pとLとθの関係は、θ=2atan(p/2L)と表せる。つまり、p=2L・tan(θ/2)である。ここで、tan()は正接関数であり、atan()は逆正接関数である。θが所定の角度以下のときに、高密度に光線を再生することができる。具体的には、θを1度(degree)以下としたときに、第2結像面57と観察者の間の距離(視距離)が1m(メートル)の場合、第2結像面57の面内のある1点からの観察者の両眼の間隔内(約6cm(センチメートル))に再生される角度の異なる光線数は3本以上となり、光線が高密度であり、観察者の動きに応じたなめらかな運動視差のある立体像を再生できる。
つまり、本変形例では、上に示した式にしたがって、θが1度以下になるようにpを定め、多視点画像群がこの条件を満たして第1結像面上に配置されるように構成する。つまり、第1結像面における複数の多視点画像のうちの隣接しあう2つの多視点画像の光線同士が、光方向制御光学系の透過後になす角度が1度以下となるような配置間隔で、第1結像面における多視点画像を配置する。即ち、プロジェクターは、そのような多視点画像の配置で画像の投射を行う。その結果として、高品質の立体像を再生することができる。
なお、ここでは第3実施形態を例にとって説明したが、他の実施形態において同様に大典画像群の配置間隔を定めるようにしてもよい。
以上、この発明の実施形態およびその変形例について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
11,11−1,11−2,41,51 プロジェクター(表示装置)
12,42 画像表示装置(表示装置)
13,43,53 第1結像面(第1結像部)
14,14−1,14−2,44,54 多視点画像
15,45,55 多視点画像投射光学系
16,46,56 投射光学系
17,47,57,67,77 第2結像面(第2結像部)
18,48,58,68,78 光方向制御光学系
52 レンズ系
56 コンデンサーレンズ
61,71 第1結像投射光学系
62,72 第2結像投射光学系
63,74 合成光学系
73 第3結像投射光学系
Claims (10)
- 多視点画像を表示する表示装置と、
前記表示装置によって表示される複数の多視点画像を結像させる第1結像部と、
前記複数の多視点画像の各々に対応し、前記多視点画像を投射する投射結像光学系と、
前記投射結像光学系から投射される複数の多視点画像を結像させる第2結像部と、
前記第2結像部を透過した光線の方向を制御する光方向制御光学系と、
を具備し、
前記投射結像光学系は、前記複数の多視点画像が前記第2結像部において重畳するように前記多視点画像を投射するものであり、
前記第2結像部は、垂直方向と水平方向の光拡散特性が同一である拡散スクリーンを有する、
ことを特徴とする立体画像表示装置。 - 前記第1結像部における前記複数の多視点画像のうちの隣接しあう2つの多視点画像の光線同士が、前記光方向制御光学系の透過後になす角度が1度以下となるような配置間隔で、前記第1結像部における前記多視点画像を配置した、
ことを特徴とする請求項1に記載の立体画像表示装置。 - 前記第1結像部は、拡散スクリーンを有しており、
前記投射結像光学系は、レンズアレイとアパーチャーアレイとで構成される、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の立体画像表示装置。 - 前記光方向制御光学系は、垂直方向の焦点距離と水平方向の焦点距離とが異なるレンズである、
ことを特徴とする請求項1から3までのいずれか一項に記載の立体画像表示装置。 - 複数台の前記表示装置を具備し、
複数台の前記表示装置は、その表示方向側から見て、縦方向の配列の方向と横方向の配列の方向とが略直交する直交格子状配置、横方向の配列位置が1行おきに同じである千鳥状配置、または、横方向の配列位置が1行ごとに所定量シフトしていくシフト状配置、のいずれかの配置で並べられている、
ことを特徴とする請求項1から4までのいずれか一項に記載の立体画像表示装置。 - 前記第1結像部における前記複数の多視点画像は、縦方向の配列の方向と横方向の配列の方向とが略直交する直交格子状配置、横方向の配列位置が1行おきに同じである千鳥状配置、または、横方向の配列位置が1行ごとに所定量シフトしていくシフト状配置、のいずれかの配置で並べられている、
ことを特徴とする請求項1から5までのいずれか一項に記載の立体画像表示装置。 - 複数台の前記表示装置を具備し、
ある表示装置が表示する範囲である前記第1結像部上の領域と、隣接する他の表示装置が表示する範囲である前記第1結像部上の領域とは、少なくとも一部が重複している、
ことを特徴とする請求項1から6までのいずれか一項に記載の立体画像表示装置。 - 前記ある表示装置が表示する前記多視点画像の前記第1結像部上の領域と前記隣接する他の表示装置が表示する前記多視点画像の前記第1結像部上の領域とは、相互に重複しない、
請求項7に記載の立体画像表示装置。 - 前記ある表示装置が表示する範囲である前記第1結像部上の領域と前記隣接する他の表示装置が表示する範囲である前記第1結像部上の領域とが重複している領域において、前記ある表示装置による多視点画像と前記隣接する他の表示装置による多視点画像とが交互に配置されている、
請求項7に記載の立体画像表示装置。 - 前記表示装置と前記第1結像部と前記投射結像光学系との組である投射結像光学ユニットを複数具備し、
前記複数の投射結像光学ユニットから投射される光を合成する合成光学系、
をさらに具備し、
前記第2結像部は、前記合成光学系で合成された光による像を結像する、
ことを特徴とする請求項1から9までのいずれか一項に記載の立体画像表示装置。
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