JP6865624B2 - 立体映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、インテグラル方式の立体映像表示装置に関する。

インテグラル方式の立体映像表示装置は、特殊な眼鏡が不要で裸眼による立体視が可能な３次元映像表示デバイスである。図６（ａ）に示すように、従来の立体映像表示装置９は、液晶パネルや有機ＥＬ（Electro-Luminescence）などの直視型ディスプレイＰと、その前面に置かれた２次元のレンズアレイＬ_Ａとを備える。このレンズアレイＬ_Ａは、図６（ｂ）に示すように、要素レンズＬ_Ｐが２次元状に配列されたものである。また、図６（ａ）に示すように、インテグラル方式では、要素レンズＬ_Ｐと要素画像Ｇとが対応しており、要素レンズＬ_Ｐにより要素画像Ｇが空間中に投影され、立体映像Ｚが形成される。

インテグラル方式において、立体映像Ｚの画素数、視域、奥行き再現範囲を向上させるためには、直視型ディスプレイＰに非常に多くの画素数を表示させる必要がある。ところが、現時点においては、スーパーハイビジョンを大きく超える画素数の直視型ディスプレイＰが存在しない。よって、単体の直視型ディスプレイＰによるインテグラル立体映像の品質の向上が困難なため、複数の直視型ディスプレイＰを用いて、多画素化する技術が知られている。

複数の直視型ディスプレイＰを結合して多画素化を図る際、そのまま並列に配置しただけでは、直視型ディスプレイＰのベゼル部分（枠部分）があるため、直視型ディスプレイＰ間にギャップが生じてしまう。そこで、そのギャップをなくして、複数の映像をシームレスに結合するために、合成光学系を用いる手法が知られている（非特許文献１）。

非特許文献１に記載の立体映像表示装置９Ａは、図７（ａ）に示すように、縦横に４台配列した直視型ディスプレイＰの前面にレンズアレイＬ_Ａを配置し、それぞれの直視型ディスプレイＰにおいて分割された立体映像を表示する。そして、立体映像表示装置９Ａは、図７（ｂ）に示すように、その前面に合成光学系９０を配置し、立体映像を拡大し結合する。

例えば、合成光学系９０としては、図８に示すように、凹フレネルレンズ９１及び凸レンズ９３を組み合わせたものがあげられる。そして、立体映像表示装置９Ａは、合成光学系９０を用いて直視型ディスプレイＰのディスプレイ面の後ろに虚像（拡大像）αを生成することで、直視型ディスプレイＰ間のギャップを埋めて複数の立体映像を結合することができる。
なお、図８では、要素レンズＬ_Ｐからの光線を実線で図示し、虚像αを形成する光線を破線で図示した。

ここで、レンズアレイＬ_Ａと凸レンズ９３との距離をａ、虚像αと凸レンズ９３との距離をｂ、凸レンズ９３の焦点距離をＦ、立体映像の拡大率をｍとすると、レンズの公式より、以下の式（１）が成立する。

岡市，渡邉，佐々木，洗井，河北，三科："複数の直視型ディスプレーパネルを用いたインテグラル立体表示，"映情学技報，Vol.40，No.26，ME2016-82，pp.1-4，(2016)

前記した立体映像表示装置９Ａでは、図９に示すように、同一構成の合成光学系９０を並列に配列する。この合成光学系９０では、立体映像にギャップができないように、隣り合う凸レンズ９３を密着させている。ここで、立体映像を連続的に表示できる範囲を持たせるため、複数の虚像面が重複するように、距離ａ，ｂ及び、焦点距離Ｆを適切に設計する必要がある。なお、虚像面とは、虚像αが形成される面のことである。

図９において、虚像面の重複幅ｗ_３と凸レンズ９３の接合点βとにより、虚像面の重複角度θが決定される。この重複角度θの範囲内（例えば、視点Ｖ_Ａ）で視聴する場合、図１０に示すように、立体映像が連続的に結合している。一方、重複角度θの範囲外（例えば、視点Ｖ_Ｂ）で視聴する場合、図１１に示すように、立体映像間にギャップが発生し、立体映像が連続的に結合しない。

ここで、重複角度θは、直視型ディスプレイＰの有効表示領域の幅（レンズアレイＬ_Ａの幅）をｗ_１、ベゼルを含む直視型ディスプレイＰ全体の幅（凸レンズ９３の幅）をｗ_２とすると、以下の式（２）で表される。この重複角度θの値が大きいほど、視聴者が動いた場合でも、広い範囲で立体映像を途切れることなく連続的に視聴することができる。

この立体映像表示装置９Ａでは、レンズアレイＬ_Ａによって形成される立体映像の視域角をφとする。この視域角φは、図１２に示すように、虚像面からの光の広がりを考慮することになるので、要素レンズＬ_Ｐのピッチをｐ、要素レンズＬ_Ｐの焦点距離をｆとすると、以下の式（３）で表される。
なお、図１２では、図面を見やすくするため、虚像α、凸レンズ９３の位置のみを図示した。

視域角φの全体で立体映像の結合部を途切れなくするためには、重複角度θを視域角φより大きくする必要がある。ところが、立体映像表示装置９Ａのように、凸レンズ９３の光軸と直視型ディスプレイＰの中心が同一軸上にある場合、重複角度θを十分に取ることができず、立体映像を連続的に視聴できる範囲を狭めてしまうという課題がある。

そこで、本発明は、立体映像を連続的に視聴できる範囲を拡大することを課題とする。

前記した課題に鑑みて、本発明に係る立体映像表示装置は、インテグラル方式で要素画像群を表示する立体映像表示装置であって、要素画像群を分割した分割要素画像群を表示する複数の直視型ディスプレイと、それぞれの直視型ディスプレイの前面に配置され、２次元状に配列された要素レンズを有するレンズアレイと、レンズアレイに対応する凸レンズを互いに隣接配置し、レンズアレイからの入射光を拡大して１つの要素画像群として合成する合成光学系と、を備える構成とした。

かかる立体映像表示装置によれば、凸レンズの光軸が、レンズアレイの中心軸に対し、立体映像表示装置の外周側にシフトしている。これにより、虚像面の重複部分を大きくすることができる。

本発明によれば、以下のような優れた効果を奏する。
本発明に係る立体映像表示装置によれば、凸レンズの光軸を外周側にシフトさせたので、虚像面の重複部分を大きくし、立体映像を連続的に視聴できる範囲を拡大することができる。

本発明の実施形態に係る立体映像表示装置の構成を示す概略図である。 図１の立体映像表示装置の上面図である。 図１の立体映像表示装置の正面図である。 凸レンズの平行移動による虚像面のシフトを説明する説明図であり、（ａ）はレンズアレイ面と凸レンズ面の中心が同一軸上にある場合、（ｂ）は凸レンズを平行移動させた場合を示す。 図４の構成を並列に配置したときの重複角度を説明する説明図であり、（ａ）はレンズアレイ面と凸レンズ面の中心が同一軸上にある場合、（ｂ）は凸レンズを平行移動させた場合を示す。 従来技術における立体映像表示装置の構成を表す概略図である。 従来技術において、複数の直視型ディスプレイを用いた立体映像表示装置の構成を表す概略図である。 従来技術における合成光学系を説明する説明図である。 複数の直視型ディスプレイに合成光学系を適用したときの説明図である。 図９の重複角度の範囲内で表示される立体映像の一例を示す図である。 図９の重複角度の範囲外で表示される立体映像の一例を示す図である。 従来技術において、立体映像表示装置の視域角を説明する説明図である。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の部材には同一の符号を付し、説明を省略した。また、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。

［立体映像表示装置の構成］
図１を参照し、本発明の実施形態に係る立体映像表示装置１の構成について説明する。
立体映像表示装置１は、インテグラル方式で立体映像（要素画像群）を表示するものであり、図１に示すように、拡散光投射装置１０と、ディスプレイ（直視型ディスプレイ）２０と、レンズアレイ３０と、合成光学系４０とを備える。本実施形態では、立体映像表示装置１は、拡散光投射装置１０、ディスプレイ２０、レンズアレイ３０及び合成光学系４０を４組備えることとする。
なお、図１では、図面を見やすくするため、一部符号の図示を省略した。

拡散光投射装置１０は、後記するディスプレイ２０のバックライトであり、ディスプレイ２０の背面側に配置されている。拡散光投射装置１０は、ディスプレイ２０に対応するように同一平面上に配置されており、拡散光をディスプレイ２０に投射する。また、拡散光投射装置１０は、ディスプレイ２０から任意の距離に配置することができる。

拡散光投射装置１０としては、例えば、液晶パネル用の一般的なバックライトを用いることができる。このようなバックライトは、例えば、バックライト用光源、導光板や拡散板、光拡散フィルム等を備えている。バックライト用光源としては、例えば、ＬＥＤやＣＣＦＬ（冷陰極管）等を用いることができる。
なお、図１では、拡散光投射装置１０からの投射光を破線で図示した。

ディスプレイ２０は、液晶パネルなどの直視型ディスプレイであり、拡散光投射装置１０から投射される拡散光により、立体映像（分割要素画像群）を表示する。本実施形態では、４個のディスプレイ２０が、同一平面上で上下左右に並ぶように配置されている。このディスプレイ２０としては、スーパーハイビジョン（７６８０×４３２０画素）の透過型液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイを用いることができる。

ディスプレイ２０は、表示部２２と、ベゼル部分（枠部分）２４とを有している。表示部２２は、立体映像（要素画像群）を表示する部分である。ベゼル部分２４は、表示部２２の周囲に形成されており、立体映像を表示することができない。

ディスプレイ２０は、当該ディスプレイの配置に応じた分割要素画像群を表示する。ここで、分割要素画像群とは、１つの立体映像（要素画像群）を分割（本実施形態では、４分割）したそれぞれの要素画像群のことである。つまり、分割要素画像群は、最終的に表示したい立体映像のうちの一部分を再現する要素画像群のことである。

例えば、図１に示すように、人物の立体映像を４つのディスプレイ２０で分割表示する場合を考える。この場合、観察方向からみて左上のディスプレイ２０は、人物の右上半身部分の分割要素画像群を表示する。これと同様、右上のディスプレイ２０が当該人物の左上半身の分割要素画像群を表示し、左下のディスプレイ２０が当該人物の右下半身の分割要素画像群を表示し、右下のディスプレイ２０が当該人物の左下半身の分割要素画像群を表示する。

ここで、ディスプレイ２０が表示する分割要素画像群について、簡単に説明する。
例えば、一般的なＩＰ立体カメラで被写体を撮影し、取得した要素画像群をディスプレイ２０と同数（例えば、４個）に分割し、この分割要素画像群を表示部２２の大きさに合わせて拡大すればよい。

レンズアレイ３０は、それぞれのディスプレイ２０の前面に配置され、分割要素画像群を構成する要素画像毎の要素レンズ３１を有する。つまり、レンズアレイ３０は、平面方向に整列するように、２次元に配列された要素レンズ３１で構成されている。このレンズアレイ３０のサイズは、ディスプレイ２０の表示部２２のサイズと同程度である。なお、要素レンズ３１の個数は任意であり、例えば、数万以上の場合もある。

レンズアレイ３０は、ディスプレイ２０の表示部２２の近傍に配置されており、表示部２２に表示された要素画像からの光が入射する。これにより、立体映像を再生することができる。なお、この時点で１組のディスプレイ２０及びレンズアレイ３０により再生される立体映像は、ここでは、取得した要素画像群を４つのディスプレイ２０により４分割しているので、最終的な立体映像を４分割した部分的な立体映像である。

レンズアレイ３０は、ディスプレイ２０の表示部２２に当接するように配置されることが好ましい。このように構成することで、ディスプレイ２０の表示部２２に対してレンズアレイ３０が固定されて位置ずれを防止できる。

本実施形態では、一例として、要素レンズ３１が平凸レンズであるものとして、平面の側をディスプレイ２０の表示部２２に接着することで当接した。なお、要素レンズ３１の形状は円形に限らず、正方形でもよい。また、要素レンズ３１の配列は、正方格子状（グリッド構造）であるものとしたが、俵積状いわゆるラインオフセット状に配列してもよい。

合成光学系４０は、レンズアレイ３０の光出射側に配置されており、レンズアレイ３０からの入射光を拡大して要素画像群として合成する。それぞれの合成光学系４０は、ディスプレイ２０及びレンズアレイ３０に対応するように同一平面上に配置されている。合成光学系４０には、レンズアレイ３０により再生された立体映像（４分割された部分的な立体映像）の光が入射し、その立体映像を拡大する。

合成光学系４０としては、図２に示すように、凹レンズ４１と凸レンズ４３とを組み合わせた光学系を用いることができる。レンズの種類は、フレネルレンズ、球面レンズ、非球面レンズ等を用いることができる。本実施形態では、合成光学系４０は、レンズアレイ３０の側から順に、１つの凹レンズ４１と、１つの凸レンズ４３とを備える。

凹レンズ４１は、レンズアレイ３０の前面に位置し、レンズアレイ３０と密着する位置に配置されている。凹レンズ４１は、光の広がり方向を制御することで、視域を最適化する役割を果たす。この凹レンズ４１の出射光は、凸レンズ４３に入射する。

凸レンズ４３は、凹レンズ４１の出射光の多くが入射するように凹レンズ４１よりもサイズが大きく形成されている。凸レンズ３４は、凹レンズ３２に対向するように配置されており、虚像（拡大像）を生成する役割を果たす。

ここで、立体映像表示装置１を正面視すると、図２及び図３に示すように、４個の凸レンズ４３が同一平面上で上下左右に隣接配置されている。そして、凸レンズ４３の光軸Ｃ_１は、レンズアレイ３０の中心軸Ｃ_２に対し、立体映像表示装置１の外周側にシフトしている。つまり、立体映像表示装置１では、レンズアレイ３０より大きいサイズの凸レンズ４３を４個、上下左右に隣接配置する。
なお、立体映像表示装置１の外周側は、それぞれの凸レンズ４３が接する箇所を中心として、水平方向又は垂直方向の少なくとも一方で外側に位置することである。

なお、図２では、凹レンズ４１がレンズアレイ３０から離れている状態で示したが、凹レンズ３２は、レンズアレイ３０に当接するように配置されていることが好ましい。このように構成することで、レンズアレイ３０に対して凹レンズ４１が固定されて位置ずれを防止できる。
また、図２では、水平方向（Ｘ軸方向）で凸レンズ４３とレンズアレイ３０との関係を図示したが、垂直方向（Ｙ軸方向）でも同様となる。
また、図３では、図面を見やすくするため、凸レンズ４３を破線で図示した。

＜合成光学系による視聴範囲の拡大＞
図４，図５を参照し、合成光学系４０による視聴範囲の拡大について説明する。
図４，図５では、説明を簡易にするため、レンズアレイ３０、凸レンズ４３及び虚像αのみを図示した。

図４（ａ）に示すように、凸レンズ４３の光軸Ｃ_１とレンズアレイ３０の中心軸Ｃ_２が同一軸上に位置する場合、虚像面の中心Ｃ_３も同一軸上に位置する。このとき、虚像αの幅ｗ_４は、以下の式（４）で表される。なお、レンズアレイ３０の中心軸Ｃ_２とは、１つのレンズアレイ３０の中心を追加する法線のことである。

また、図４（ｂ）に示すように、凸レンズ４３を平行移動させることで、虚像αを凸レンズ４３の移動方向の逆方向にシフトさせることができる。例えば、凸レンズ４３を距離ｄ_１だけ平行移動させると、虚像αは、以下の式（５）で表される距離ｄ_２だけ逆方向にシフトする。

なお、凸レンズ４３とレンズアレイ３０との距離をａ、虚像αと凸レンズ４３との距離をｂとする。また、レンズアレイ３０の幅をｗ_１、凸レンズ４３の幅をｗ_２とする。

次に、図４の構成を並列に２つ配置したときの重複角度θについて考える。図５(ａ)に示すように、重複角度θは、凸レンズ４３をシフトさせない場合、前記式（２）で表される。このとき、虚像面の重複幅ｗ_３は、以下の式（６）で表される。

そして、図５（ｂ）に示すように、凸レンズ４３を距離ｄ_１だけ平行移動させた場合、虚像面の重複幅ｗ_３によって生成される重複角度θは、以下の式（７）で表される。このとき、虚像面の重複幅ｗ_３は、以下の式（８）で表される。

この式（７）からも分かるように、凸レンズ４３の光軸Ｃ_１を外側に平行移動することにより、虚像面の重複幅ｗ_３を大きくすることができ、それによって形成される重複角度θも大きくすることができる。
なお、図４，図５では、水平方向（Ｘ軸方向）で凸レンズ４３とレンズアレイ３０との関係を図示したが、垂直方向（Ｙ軸方向）も同様である。

［作用・効果］
立体映像表示装置１は、複数の立体映像を合成光学系４０を用いて合成することにより多画素化して、立体映像の品質を向上させることができる。さらに、立体映像表示装置１は、凸レンズ４３の光軸を外周側にシフトさせたので、従来技術と比べて、立体映像を連続的に視聴できる範囲を拡大することができる。

（変形例）
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、本発明は前記した実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
前記した実施形態では、４つの凸レンズを上下左右に隣接配置することとして説明したが、本発明は、これら４つの凸レンズを一体化し、１枚のレンズとしてもよい。つまり、１枚のレンズに、それぞれのレンズアレイに対応する凸レンズ部を形成してもよい。
前記した実施形態では、４つの直視型ディスプレイを上下左右に隣接配置することとして説明したが、本発明はこれに限定されず、直視型ディスプレイの個数及び配置が任意である。

（実施例）
以下、本発明の実施例として、図１の立体映像表示装置１の構成例について説明する。
本実施例において、立体映像表示装置１は、以下のとおり構成した。

レンズアレイ３０と凸レンズ４３との距離ａ ４５ｍｍ
虚像αと凸レンズ４３との距離ｂ ６０．５８ｍｍ
凸レンズ４３の焦点距離Ｆ １７５ｍｍ
拡大率ｍ １．３５
ディスプレイ２０の有効表示領域の幅ｗ_１ ８７．１６８ｍｍ
ベゼルを含むディスプレイ２０全体の幅ｗ_２ ９７．１６８ｍｍ
要素レンズ３１のピッチｐ ０．５ｍｍ
要素レンズ３１の焦点距離ｆ １．０６ｍｍ
凸レンズ４３のシフト量ｄ １４．４２ｍｍ

この場合、立体映像表示装置１では、重複角度θが２８．０°となり、視域角φが１９．９°となった。このように、立体映像表示装置１は、凸レンズ４３の光軸を外周側にシフトさせることで、重複角度θを視域角φより大きくすることができる。

１ 立体映像表示装置
１０ 拡散光投射装置
２０ ディスプレイ（直視型ディスプレイ）
３０ レンズアレイ
４０ 合成光学系
４１ 凹レンズ
４３ 凸レンズ

Claims (2)

1. インテグラル方式で要素画像群を表示する立体映像表示装置であって、
   前記要素画像群を分割した分割要素画像群を表示する複数の直視型ディスプレイと、
   それぞれの前記直視型ディスプレイの前面に配置され、２次元状に配列された要素レンズを有するレンズアレイと、
   前記レンズアレイに対応する凸レンズを互いに隣接配置し、前記レンズアレイからの入射光を拡大して１つの前記要素画像群として合成する合成光学系と、を備え、
   前記凸レンズの光軸が、前記レンズアレイの中心軸に対し、前記立体映像表示装置の外周側にシフトしていることを特徴とする立体映像表示装置。
2. 前記合成光学系は、前記レンズアレイの前面側から順に、前記レンズアレイの中心軸上に配置された凹レンズと、前記凸レンズとを備え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。

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