JP7120537B2 - 3次元表示装置、3次元表示システム、ヘッドアップディスプレイおよび3次元表示装置設計方法 - Google Patents
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Description
本開示の複数の実施形態の1つにかかる3次元表示システム1は、図1に示されるように、検出装置2および3次元表示装置3を含んで構成される。図1は、3次元表示システム1を、この3次元表示装置3により画像を観察する利用者の上方から見た様子を示している。
検出装置2は、利用者の眼の位置を検出し、後述する3次元表示装置3のコントローラ7に出力する。検出装置2は、例えば、カメラを備えてよい。検出装置2は、カメラによって利用者の顔を撮影してよい。検出装置2は、カメラの撮影画像から左眼および右眼の少なくとも一方の位置を検出してよい。検出装置2は、1個のカメラの撮影画像から、左眼および右眼の少なくとも一方の位置を3次元空間の座標として検出してよい。検出装置2は、2個以上のカメラの撮影画像から、左眼および右眼の少なくとも一方の位置を3次元空間の座標として検出してよい。
本開示の一実施形態において、3次元表示装置3は、照射器4、表示装置としての表示パネル5、および、光学素子としての視差バリア6を含んで構成される。3次元表示装置3は、さらに、コントローラ7を含んで構成しうる。コントローラ7は、3次元表示装置3に含まれず、3次元表示装置3の外部に配置してよい。
コントローラ7は、利用者の左右の眼の位置と、表示パネル5および視差バリア6の構成に応じて、左眼画像および右眼画像を表示するサブピクセル11を変更する。コントローラ7は、利用者の左右の眼の位置と、表示パネル5および視差バリア6の構成に応じて、複数のサブピクセル11の中から左眼画像を表示する第1サブピクセル11Lと、右眼画像を表示する第2サブピクセル11Rとを決定する。コントローラ7は、1つの最小繰り返し単位に属する複数のサブピクセル11の中から、第1サブピクセル11Lと第2サブピクセル11Rとを決定しうる。最小繰り返し単位は、複数あり、各々に複数のサブピクセル11が属している。複数の最小繰り返し単位は、属するサブピクセル群が同じ位置関係で並ぶ。表示面において、複数の最小繰り返し単位は、x方向およびy方向において周期性を持って並んでいる。コントローラ7は、複数の最小繰り返し単位のサブピクセル群に対して、同じ配置パターンで、第1サブピクセル11Lと第2サブピクセル11Rとを決定しうる。視差バリア6により、第1サブピクセル11Lは利用者の左眼から視認可能である。視差バリア6により第2サブピクセル11Rは、利用者の右眼から視認可能である。一実施形態に係る第1サブピクセル11Lと第2サブピクセル11Rとの配置方法の第1例を、図2を用いて説明する。
図2では、視差バリア6の遮光領域61と透光領域62とのx方向の幅が等しい例を示す。すなわち、3次元表示装置3のバリア開口率は50%である。この場合、左眼遮光領域53は、右眼可視領域に略一致させることができる。しかし、3次元表示装置3のバリア開口率は、50%に限られない。クロストークを低減するために、遮光領域61のx方向の幅を、透光領域62のx方向の幅よりも大きくすることもできる。クロストークは、左眼画像の一部が利用者の右眼に入射し、および/または、右眼画像の一部が利用者の左眼に入射する現象である。遮光領域61のx方向の幅を、透光領域62のx方向の幅よりも大きくした場合、クロストークを低減することができる。その場合、バリア開口率は、50%より小さくなる。
図6は、表示パネル5の表示面71を利用者の眼側から見た第2例を示す。図6は、視差バリア6の遮光領域61および透光領域62の配置が第1例と異なっている。この配置の異なりによって、図6は、左眼画像および右眼画像を表示するサブピクセル11の配置が第1例と異なっている。図6の例において、適視距離から見た表示面71上に射影される視差バリア6の遮光領域61および透光領域62の端線の傾きは、図2の例に等しい。すなわち、a=2、b=3である。一方、最小繰り返し単位54に属するサブピクセル数2nは、10に設定される。また、画像ピッチkは10Hp/3となる。すなわち、複数の透光領域62のそれぞれのx方向に沿ったピッチは、x方向に沿うサブピクセル11の幅である水平ピッチHpの非整数倍である。
上記図2および図6に示した例では、2つの自然数aおよびbの関係は、a<bであった。自然数aおよびbは、a>bとしてよい。図8は、表示パネル5の表示面71を利用者の眼側から見た第3例を示す。図8に示す第3例では、適視距離から見た表示面71上に射影される視差バリア6の遮光領域61および透光領域62の端線は、水平ピッチHpの5倍の長さを横切る間に、垂直ピッチVpの3倍の長さを横切る。すなわち、a=5、b=3である。また、最小繰り返し単位54に属するサブピクセル11の数は、10である。したがって、画像ピッチkは10Hp/3である。図8に示すように、a>bであっても、3次元表示装置3は良好に動作させることができる。
図9を用いて3次元表示装置3の適視距離について説明する。図9は、使用者の眼、表示パネル5および視差バリア6をy方向から見た模式図に、寸法を示す符号を加えたものである。バリアピッチBp、ギャップg、適視距離d、利用者の眼間距離E、および、画像ピッチkの間には、次の式(3)および式(4)が成り立つ。
E:d=k/2:g (3)
d:Bp=(d+g):k (4)
ここで、バリアピッチBpは、視差バリア6の透光領域62のx方向のピッチである。ギャップgは、表示面71と視差バリア6との間の間隔である。ギャップgは、所定距離に相当する。利用者と表示パネル51のアクティブエリア51との間に、レンズ、凹面鏡および/または凸面鏡等の屈折力を有する光学素子を含まないタイプの3次元表示装置3において、バリアピッチBpおよびギャップgは、各デバイスの実物の長さである。
E:(d+g)=k/2:g (6)
d:k=(d+g):Bp (7)
上記式(6)、(7)から適視距離dを細かく設定するためには、画像ピッチkを細かく設定できることが望ましい。図10の3次元表示装置3は、最小繰り返し単位54に属するサブピクセル11の数2nがbの倍数に限定されないので、適視距離dの設計の自由度を高くすることができる。
図2、図6および図8等の例では、表示パネル5のサブピクセル11はx方向よりもy方向に長い。しかし、本開示の3次元表示装置3において、表示パネル5のサブピクセル11はy方向よりもx方向の長さが長くてよい。また、x方向とy方向の長さを等しくすることもできる。以下において、y方向よりもx方向に長いサブピクセル11を有する表示パネル5を用いる例について説明する。
tanθ=Hp/tVp 式(9)
サブピクセル11の水平ピッチHpをピクセルピッチともいう。
図15は、比較例に係る3次元表示装置の表示面71上の第1サブピクセル11Lと第2サブピクセル11Rとの配置を示す図である。図15上には、左眼可視領域52と左眼遮光領域53との間の境界線が、斜め方向に延びる直線で示されている。図15のサブピクセル11の配置では、第1所定数r=18、第2所定数t=9としている。第1サブピクセル11Lには、番号1~18が付されている、第2サブピクセル11Rには、番号19~36が付されている。図15に示すように、r=2tとなるようにして、第1サブピクセル11Lおよび第2サブピクセル11Rの配置を決めると、画像ピッチkの値がサブピクセル11の水平ピッチHpの4倍に限定される。
k=Hp×2r/t (10)
すなわち、画像ピッチkは、第1所定数rの2倍を第2所定数tで割った商にサブピクセル11の第1方向のピッチである水平ピッチHpをかけた値に略等しくなる。画像ピッチkが決定されると、画像ピッチk、適視距離dおよびギャップgに基づいて、バリアピッチBpを決めることができる。上述の図11のサブピクセル11の配置は、このような発想に基づくものである。以下に、本開示の実施形態に係る、表示面71上のサブピクセル11の他の配置例を図16および図17に示す。
図16は、第1所定数r=17、第2所定数t=9として設計した表示面71の、右眼画像および左眼画像を表示するサブピクセル11の配置の第5例を示している。第1所定数rは第2所定数tより大きく第2所定数tの整数倍ではない。このサブピクセル11の配置によれば、画像ピッチkは、水平ピッチHpの34/9(約3.78)倍となる。
図18に、複数の実施形態の1つにかかる3次元表示システム1が示される。上述の各実施形態では、3次元表示装置3が光学素子として視差バリア6を有するものとした。3次元表示装置3は、光学素子として、視差バリア6に代えて、レンチキュラレンズ9を有することができる。この場合、レンチキュラレンズ9は、x方向およびy方向に対して、斜め方向に延びる微細な細長い半円筒型のシリンドリカルレンズ10を配列して構成されうる。
複数の実施形態の1つにおいて、図19に示されるように、3次元表示システム1は、ヘッドアップディスプレイ100に搭載されうる。ヘッドアップディスプレイ100は、HUD(Head Up Display)ともいう。HUD100は、3次元表示システム1と、光学部材110と、被投影面130を有する被投影部材120とを備える。光学部材110および被投影部材120は、利用者の視野に虚像を結像するように投影する光学系に含まれる。本開示において、光学部材110および被投影部材120をまとめて、単に光学系と呼ぶ場合がある。HUD100は、3次元表示システム1から射出される画像光を、光学部材110を介して被投影部材120に到達させる。HUD100は、被投影部材120で反射させた画像光を、利用者の左眼および右眼に到達させる。つまり、HUD100は、破線で示される光路140に沿って、3次元表示システム1から利用者の左眼および右眼まで画像光を進行させる。利用者は、光路140に沿って到達した画像光を、虚像150として視認しうる。3次元表示システム1は、利用者の左眼および右眼の位置に応じて表示を制御することによって、利用者の動きに応じて立体視を提供しうる。
図21を用いて、本開示の3次元表示装置3、3次元表示システム1およびHUD100(以下、「3次元表示装置等」とする)の設計方法について、図11、図15~図17の例に基づいて説明する。3次元表示装置等の設計方法は、表示パネル5のサブピクセル11の配置および視差バリア6の形状等を設計する方法を含む。
に基づいて、視差バリア6のバリア傾斜角θを求めることができる。また、画像ピッチk、適視距離dおよびギャップgから、視差バリア6のバリアピッチBpが決定される。これによって、視差バリア6の形状が決定される(ステップS04)。
2 検出装置
3 3次元表示装置
4 照射器
5 表示パネル(表示装置)
6 視差バリア(光学素子)
7 コントローラ
8 移動体
9 レンチキュラレンズ(光学素子)
10 シリンドリカルレンズ
11 サブピクセル
11L 第1サブピクセル
11R 第2サブピクセル
12 ピクセル
15 表示境界
51 アクティブエリア
52 左眼可視領域
53 左眼遮光領域
54 最小繰り返し単位
61 遮光領域
62 透光領域
71 表示面
100 ヘッドアップディスプレイ
110 光学部材
120 被投影部材
130 被投影面
140 光路
150 虚像
Claims (7)
- 第1方向および該第1方向に略直交する第2方向に沿って格子状に配列された複数のサブピクセルを備えるアクティブエリアを有する表示装置と、
帯状の複数の透光領域、および帯状の複数の遮光領域を有する光学素子と、を備え、
前記第1方向は、利用者の両眼に視差を与える方向に対応し、
前記表示装置は、
前記複数のサブピクセル間の境界を通る複数の表示境界によって分けられる第1サブピクセルおよび第2サブピクセルを含み、
前記第1サブピクセルに左眼画像を表示し、および
前記第2サブピクセルに右眼画像を表示し、
前記光学素子は、
前記透光領域および前記遮光領域が前記第1方向に沿って交互に並び、
前記複数の透光領域の各々は、
前記左眼画像の少なくとも一部を利用者の左眼に向かう光路の方向に透過させ、
前記右眼画像の少なくとも一部を利用者の右眼に向かう光路の方向に透過させ、
前記利用者が視覚的に捉える空間での前記アクティブエリアを表示面とするとき、前記アクティブエリアの前記表示面上における前記透光領域と隣接する前記遮光領域との境界の傾きは、
前記表示面上における前記サブピクセルの前記第1方向に沿った大きさをHpとし、
前記表示面上における前記サブピクセルの前記第2方向に沿った大きさをVpとし、
前記透光領域の前記第2方向に対する角度をθとし、
aおよびbを自然数とするとき、
nを自然数とするとき、利用者の眼が配置される適視距離の点から射影される前記複数の透光領域の前記表示面上での前記第1方向に沿ったピッチは、
2nは、前記第1サブピクセルおよび前記第2サブピクセルの配置パターンの最小繰り返し単位を構成するサブピクセルの数である、3次元表示装置。 - 請求項1に記載の3次元表示装置であって、
2nは、bの倍数とは異なる自然数である、
3次元表示装置。 - 請求項1または2に記載の3次元表示装置であって、
前記アクティブエリアおよび前記光学素子の前記利用者の眼が配置される側に、前記アクティブエリアの虚像を投影する光学系を備え、
前記ピッチは、前記適視距離の点から前記光学系を通して射影される前記複数の透光領域の前記表示面上での前記第1方向に沿ったピッチである、
3次元表示装置。 - 第1方向および該第1方向に略直交する第2方向に沿って格子状に配列された複数のサブピクセルを備えるアクティブエリアを有する表示装置と、
帯状の複数の透光領域、および帯状の複数の遮光領域を有する光学素子と、
利用者の眼の位置を検出する検出装置と、
前記検出装置が検出した前記利用者の眼の位置に基づいて、前記表示装置を制御するコントローラと、
を備え、
前記第1方向は、利用者の両眼に視差を与える方向に対応し、
前記表示装置は、
前記複数のサブピクセル間の境界を通る複数の表示境界によって分けられる第1サブピクセルおよび第2サブピクセルを含み、
前記第1サブピクセルに左眼画像を表示し、および
前記第2サブピクセルに右眼画像を表示し、
前記光学素子は、
前記透光領域および前記遮光領域が前記第1方向に沿って交互に並び、
前記コントローラは、前記検出装置が検出した前記利用者の眼の位置に基づいて、前記表示境界を移動させ、
前記複数の透光領域の各々は、
前記左眼画像の少なくとも一部を利用者の左眼に向かう光路の方向に透過させ、
前記右眼画像の少なくとも一部を利用者の右眼に向かう光路の方向に透過させ、
前記利用者が視覚的に捉える空間での前記アクティブエリアを表示面とするとき、前記アクティブエリアの前記表示面上における前記透光領域と隣接する前記遮光領域との境界の傾きは、
前記表示面上における前記サブピクセルの前記第1方向に沿った大きさをHpとし、
前記表示面上における前記サブピクセルの前記第2方向に沿った大きさをVpとし、
前記透光領域の前記第2方向に対する角度をθとし、
aおよびbを自然数とするとき、
nを自然数とするとき、利用者の眼が配置される適視距離の点から射影される前記複数の透光領域の前記表示面上での前記第1方向に沿ったピッチは、
前記コントローラは、前記第1サブピクセルおよび前記第2サブピクセルからなる2n個のサブピクセルの配置パターンを最小繰り返し単位として、前記検出装置が検出した前記利用者の眼の位置に基づいて、前記最小繰り返し単位において前記第1サブピクセルと前記第2サブピクセルとの付け替えを行う、3次元表示システム。 - 第1方向および該第1方向に略直交する第2方向に沿って格子状に配列された複数のサブピクセルを備えるアクティブエリアを有する表示装置と、
帯状の複数の透光領域、および帯状の複数の遮光領域を有する光学素子と、
利用者の眼の位置を検出する検出装置と、
前記検出装置が検出した前記利用者の眼の位置に基づいて、前記表示装置を制御するコントローラと、
前記アクティブエリアおよび前記光学素子の前記利用者の眼の配置される側に配置された、前記アクティブエリアの虚像を投影する光学系と、
を備え、
前記第1方向は、利用者の両眼に視差を与える方向に対応し、
前記表示装置は、
前記複数のサブピクセル間の境界を通る複数の表示境界によって分けられる第1サブピクセルおよび第2サブピクセルを含み、
前記第1サブピクセルに左眼画像を表示し、および
前記第2サブピクセルに右眼画像を表示し、
前記光学素子は、
前記透光領域および前記遮光領域が前記第1方向に沿って交互に並び、
前記コントローラは、前記検出装置が検出した前記利用者の眼の位置に基づいて、前記表示境界を移動させ、
前記複数の透光領域の各々は、
前記左眼画像の少なくとも一部を利用者の左眼に向かう光路の方向に透過させ、
前記右眼画像の少なくとも一部を利用者の右眼に向かう光路の方向に透過させ、
前記利用者が視覚的に捉える空間での前記アクティブエリアを表示面とするとき、前記アクティブエリアの前記表示面上における前記透光領域と隣接する前記遮光領域との境界の傾きは、
前記表示面上における前記サブピクセルの前記第1方向に沿った大きさをHpとし、
前記表示面上における前記サブピクセルの前記第2方向に沿った大きさをVpとし、
前記透光領域の前記第2方向に対する角度をθとし、
aおよびbを自然数とするとき、
nを自然数とするとき、利用者の眼が配置される適視距離の点から前記光学系を通して射影される前記複数の透光領域の前記表示面上での前記第1方向に沿ったピッチは、
前記コントローラは、前記第1サブピクセルおよび前記第2サブピクセルからなる2n個のサブピクセルの配置パターンを最小繰り返し単位として、前記検出装置が検出した前記利用者の眼の位置に基づいて、前記最小繰り返し単位において前記第1サブピクセルと前記第2サブピクセルとの付け替えを行う、ヘッドアップディスプレイ。
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