JP7280530B2 - 表示装置とその方法 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置とその方法に関する。

水平方向に視差を持つ複数の視点映像を複数のプロジェクタによって投影し、スクリーンの拡散特性や集光特性を制御して鑑賞者の視点位置（両眼位置）に応じた映像を視認させることで、運動視差を伴う３Ｄ映像を裸眼で視聴できる技術が提案されている。運動視差とは、鑑賞者の視点が移動することによって生じる視差のことである。

例えば非特許文献１に、リニアブレンディングと称される視覚メカニズムを活用することで、従来よりも少ないプロジェクタ数（プロジェクタの間隔が疎）で３Ｄ映像を投影する方法が開示されている。リニアブレンディングとは、隣り合う視域に視点が移動するに伴って重なり合う映像の光学的な輝度の比率を滑らかに変化させることを意味する。

M. Makiguchi et al. "Smooth Motion Parallax Glassless 3D Screen System Using Linear Blending of Viewing Zones and Spatially Imaged Iris Plane," SID, Vol. 48, Issue 1, 99.903-906

非特許文献１の方法では、スクリーンで合成される輝度比率が一定であり、プロジェクタの正面ではそのプロジェクタの映像のみが視認されるという理想的な輝度分布でない場合に、多重像による画質の低下が生じてしまうという課題がある。例えば、プロジェクタの配置間隔に対してスクリーンの拡散角度が広すぎると、中間視点以外でもプロジェクタの映像が知覚され、多重像が見えてしまう。

本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、鑑賞者の視点位置に対応したプロジェクタの配置間隔に対して、スクリーンの拡散角度を適切に制御することで、多重像による画質の低下を生じさせない表示装置とその方法を提供することを目的とする。

本実施形態の一態様に係る表示方法は、表示装置が行う表示方法であって、反射スクリーンと鑑賞者との間隔である視点位置を検出する視点位置検出過程と、前記視点位置に対応させて前記反射スクリーンの拡散特性を制御する拡散特性制御過程と、複数のプロジェクタから視差を持つ複数の視点映像を前記反射スクリーンに投影する投影過程とを含むことを要旨とする。

本実施形態の一態様に係る表示装置は、視差を持つ複数の視点映像を複数のプロジェクタから投影して立体画像を表示する表示装置であって、鑑賞者が前記立体画像を視認する視点位置を検出する視点検出部と、拡散特性が制御される反射スクリーンと、前記視点位置に対応させて前記拡散特性を制御する拡散特性制御部とを備えることを要旨とする。

本発明によれば、多重像による画質の低下を生じさせない表示装置とその方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る表示装置の機能構成例示す図である。 図１に示す表示装置が行う表示方法の原理を説明する模式図である。 反射スクリーンと鑑賞者の間隔と、反射スクリーンの拡散特性との関係を模式的に示す図である。 図１に示す表示装置が行う表示方法の処理手順の例を示すフローチャートである。 反射スクリーンの断面構造を模式的に示す断面図である。 図５に示す反射スクリーンの輝度分布の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

（表示装置の構成）
図１は、実施形態に係る表示装置の機能構成例を示す図である。図１に示す表示装置１は、視差を持つ複数の視点映像を複数のプロジェクタから投影して立体画像を表示する表示装置である。視差を持つ視点映像とは、物体を異なる方向（視点）から撮影した映像のことである。

表示装置１は、複数のプロジェクタ１０－1，１０－２，１０－３、視点位置検出部２０、拡散特性制御部３０、及び反射スクリーン４０を備える。図１において、立体画像を視認する鑑賞者αから見た状態での反射スクリーン４０の横方向をｘ方向、縦方向をｙ方向、及び厚み方向（奥行き方向）をｚ方向とする。鑑賞者αの側を正面側と称する。

図１では、プロジェクタ１０－1，１０－２，１０－３を3つ備える例を示す。なお、プロジェクタの数は、2つ以上あれば良い。以降の説明において、プロジェクタの位置を特定する必要の無い場合は、「プロジェクタ１０」と表記する。他の参照符号についても同様である。

視点位置検出部２０は、鑑賞者αが立体画像を視認する視点位置ｄを検出する。視点位置ｄは、反射スクリーン４０と鑑賞者αとの間隔（ｚ方向）のことである。よって、図１に示すように、鑑賞者αがｘ方向に移動しても視点位置（間隔ｄ）は変化しない。

視点位置ｄは、ｘ方向又はｚ方向から例えばカメラで撮影することで検出しても良い。また、視点位置ｄは予め規定された位置に固定しても良い。以降、間隔ｄは視点位置ｄと称する。

なお、図１は、プロジェクタ１０と反射スクリーン４０との間に鑑賞者αが位置する例を示すが、この位置関係はこの例に限定されない。鑑賞者αは、プロジェクタ１０よりも－ｚ方向に離れた位置から反射スクリーン４０を見ても構わない。

拡散特性制御部３０は、視点位置ｄに対応させて反射スクリーン４０の拡散特性を制御する。視点位置ｄが例えばカメラによって検出される場合は、検出された視点位置ｄに対応させて反射スクリーン４０の拡散特性を制御する。また、視点位置ｄが予め固定されている場合は、反射スクリーン４０の拡散特性を、その視点位置ｄに対応した拡散特性に設定する。

（表示方法）
図２は、本実施形態に係る表示装置１が行う表示方法の原理を説明する模式図であり、図１の一部を示す。図１と図２を参照して本実施形態に係る表示方法について詳しく説明する。

プロジェクタ１０－1，１０－２，１０－３は、反射スクリーン４０の正面からａの距離に、所定の間隔を空けてそれぞれ配置する。中央のプロジェクタ１０－２は、反射スクリーン４０に投影物５０－２を投影する。プロジェクタ１０－２の投影光は、反射スクリーン４０によって、その表面から視点位置ｄの距離離れた位置に、空間結像アイリス面６０－２を形成する。アイリスは目の虹彩を表す文言である。空間結像アイリス面とは、光量が調整された結像面を意味する。

空間結像アイリス面６０－２では、プロジェクタ１０－２の輝度が空間結像アイリス面６０－２の中心で最も高く、ｘ方向と－ｘ方向のどちらに視点を移動しても次第に低下する。また、投影物５０－２は、空間結像アイリス面６０－２の±ｘ方向の両外側から外では見えなくなる。

空間結像アイリス面６０－２の－ｘ方向側には、プロジェクタ１０－１によって空間結像アイリス面６０－１が形成される（図２）。空間結像アイリス面６０－１における投影物５０－１の輝度は、投影物６０－２と同様に、空間結像アイリス面６０－１内に一つのピークを持ち、そのピークとなる視点から±ｘ方向のどちらに移動しても低下する。なお、作図の都合により空間結像アイリス面６０－１，６０－２のｚ方向の位置が異なるように示しているが、両者の視点位置ｄ（反射スクリーン４０との間隔）は同じである。

空間結像アイリス面６０が形成されるｚ方向の視点位置ｄは、反射スクリーン４０の焦点距離をｆ、プロジェクタ１０と反射スクリーン４０の間の距離をａとした場合に、（1/a）＋（1/d）＝1/fの関係を満たす。中央の空間結像アイリス面６０－２のｘ方向の両端部分は、隣の空間結像アイリス面６０－１，６０－３（図示せず）のそれぞれの一部と重なる。

空間結像アイリス面６０－１から±ｘ方向の両外側に視点が外れると、投影物５０―１は観察されない。したがって、投影物５０－２、投影物５０－１、及び投影物５０－３（図示せず）の間隔を広くし、空間結像アイリス面６０が重ならない場合、視点位置に応じて投影物５０－２、投影物５０－１、投影物５０－３が切り替わり、隣り合う投影物５０を同時に鑑賞することはできない。

空間結像アイリス面６０－２、空間結像アイリス面６０－１、及び空間結像アイリス面６０－３のそれぞれ間隔を狭め、空間結像アイリス面６０－２,６０－１，６０－３が重なる範囲を設けた場合、この重なる範囲では隣り合う投影物５０を同時に見ることができる。つまり、鑑賞者αは、隣り合う投影物５０を混合（リニアブレンディング）して見ることになる。

ここで、投影物５０－２に物体を正面から撮影した映像、投影物５０－１に物体を左方向から撮影した映像、及び投影物５０－３（図示せず）に物体を右方向から撮影した映像を投影すると仮定する。この仮定において、鑑賞者αは、空間結像アイリス面６０－２の中心から空間結像アイリス面６０－１に移動すると、物体を正面から左方向に回り込むように知覚する。また、空間結像アイリス面６０－２の中心から空間結像アイリス面６０－３に移動すると、物体を正面から右方向に回り込むように知覚する。

この場合、空間結像アイリス面６０－２内で観察される投影物５０－２と空間結像アイリス面６０－１内で観察される投影物５０－１との視差間隔Ｖを、融合限界の視差間隔よりも小さくすることで、2つの空間結像アイリス面６０－２，６０－１が視点移動に応じて滑らかに融合され、投影物５０－２と投影物５０－１の中間視点の映像を再現することができる。このことは、空間結像アイリス面６０－３側でも同様である。

視差間隔Ｖは次式で表せる。

ここでＡは融合限界角度である。融合限界角度Ａは6～8（min）の角度である。融合限界角度Ａで求めた視差間隔Ｖは、融合限界の視差間隔である。ｄは視点位置ｄ（反射スクリーン４０と空間結像アイリス面６０の間隔）である。

一方、視点位置ｄにおける視点間隔ｔは次式で表せる。

ここでＰは、プロジェクタ１０の間隔（deg）である。

鑑賞者αは両眼視差を持った映像を知覚するため、裸眼立体視が可能になる。立体画像βは、反射スクリーン４０の表面からｚ方向に奥行きを持って知覚される。

知覚される奥行きＳは次式で表せる。

なお、立体画像βは、反射スクリーン４０の表面から－ｚ方向に飛び出させて知覚させることも可能である。その場合の飛び出し量Ｓ′は、次式で表せる。

拡散特性制御部３０は、隣り合うプロジェクタ１０から投影される投影物５０－２，５０－１の合成した合成輝度が、一定になるように反射スクリーン４０の拡散特性を制御する。反射スクリーン４０の拡散特性の制御は、視点位置検出部２０で検出した視点位置ｄに対応させて行う。拡散特性の具体的な制御方法については後述する。

図３は、視点位置ｄと、反射スクリーン４０の拡散特性の関係を模式的に示す図である。図３の横軸は、一定の視点位置ｄにおけるｘ方向の位置である。図３の縦軸は反射スクリーン４０上の輝度である。図３（ａ）は視点位置ｄが小さい場合、図３（ｂ）は視点位置ｄが大きい場合を示す。

図３（ａ）は、5つのプロジェクタ１０のそれぞれから、視差を持つ視点映像を投影した場合の例を示す。図３（ａ）に示す三角形が1つのプロジェクタ１０から投影される視点映像の輝度分布を示す。

図３に示すように隣り合うプロジェクタ１０から投影される合成輝度は、鑑賞者αがｘ方向に移動しても一定である。その一定の範囲をγで示す。このγで示す表示範囲においてリニアブレンディングによって立体画像βが知覚される。

図３（ａ）に示すように、視点位置ｄが小さい場合の反射スクリーン４０の拡散角度は狭く制御され、プロジェクタ１０の数が多く必要である。また、一つのプロジェクタ１０の輝度が最も高く視認される視点（ｘ方向）において、隣接するプロジェクタ１０の輝度を、鑑賞者αが視認できる下限の輝度に制御する。これにより鑑賞者αは、滑らかな輝度変化を知覚することができる。

また、図３（ｂ）に示すように、視点位置ｄが大きい場合の反射スクリーン４０の拡散角度は広く制御される。図３（ｂ）は、拡散角度を広くすると共にプロジェクタ１０の数を2つに減らした例を示す。このように、視点位置ｄに対応させてプロジェクタ１０の数を変化させても良い。プロジェクタ１０の数を減らすことで省電力化を図ることができる。

なお、拡散角度を広くした場合に、プロジェクタ１０の数を減らさなくても構わない。拡散角度を広くしてプロジェクタ１０の数を減らさない場合は、立体画像が知覚できる表示範囲γを広くすることができる。

図４は、表示装置１が行う表示方法の処理手順の例を示すフローチャートである。表示装置１が動作を開始すると、視点位置検出部２０は、反射スクリーン４０と鑑賞者αとの間隔である視点位置ｄを検出する（ステップＳ１）。視点位置ｄは、ｘ方向又はｚ方向から例えばカメラで撮影して検出する。

次に、拡散特性制御部３０は、視点位置検出部２０で検出した視点位置ｄに対応させて反射スクリーン４０の拡散特性を制御する（ステップＳ２）。反射スクリーン４０の拡散特性の制御は、例えば反射スクリーン４０の表面に設けられた高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の透過率を変化させて行う。

ＰＤＬＣの透過率は、ＰＤＬＣに印加する交流信号の電圧値によって変化する。または、交流信号のデューティ比を変えて変化させる。

次に、複数のプロジェクタ１０－１，１０－２，１０－３から視差を持つ複数の視点画像を反射スクリーン４０に投影する（ステップＳ３）。

以上説明した本実施形態に係る表示方法によれば、視点位置ｄが小さい場合は反射スクリーン４０の拡散角度が狭く制御され、視点位置ｄ上に形成される空間結像アイリス面６０で立体画像βを視認できる。また、視点位置ｄが大きい場合は反射スクリーン４０の拡散角度が広く制御され、視点位置ｄ上に形成される空間結像アイリス面６０で立体画像βを視認できる。つまり、鑑賞者αの視点位置ｄに対応したプロジェクタ１０の配置間隔に対して、反射スクリーン４０の拡散角度を適切に制御することができる。

（反射スクリーン）
図５は、反射スクリーン４０の断面構造例を示す。反射スクリーン４０は、保持板４０ａ、反射層４０ｂ、ＵＶ重合フレネルレンズ層４０ｃ」、及び拡散層４０ｄの層構造である。

保持板４０は、反射スクリーン４０の平坦性を維持する基板であり、例えばプラスチック板等で構成される。保持板４０ａの正面側にｈｓ、反射層４０ｂが形成される。

反射層４０ｂは、例えばアルミニウム、銀、ニッケル等の高反射率の金属で構成される。反射層４０ｂの正面側には、ＵＶ重合フレネルレンズ層１０ｃが形成される。

ＵＶ重合フレネルレンズ層１０ｃの正面側は平面であり、背面側がフレネルレンズ面を形成し、エポキシアクリルレート等の樹脂で構成される。ＵＶ重合フレネルレンズ層１０ｃの正面側には、異方性拡散層４０ｄが形成される。

異方性拡散層４０ｄは、ＰＤＬＣで構成することができる。異方性拡散層４０ｄの表裏に形成された透明電極（図示せず）に交流信号を印加することで拡散角度を変化させることができる。

異方性拡散とは、拡散層により拡散する光りの拡散角度が、拡散層の表面形状と特定の関係にある直交二方向で相異なる特性を有する拡散層のことである。異方性拡散層４０ｄは、拡散角度範囲内での輝度の分布型が例えばガウス分布である。

図６に、反射スクリーン４０の輝度分布の例を示す。図６の横軸は視点Ｂ［度］、縦軸は輝度［cd/m²］である。

視点Ｂ［度］は垂線方向を0度とする角度である。0度を中心として±方向の入射角度θの変化に対して、なだらかに輝度が減少する特性を示す。この例では、入射角度θが約7度変化すると輝度が半減する特性を示す。

図５に例示する反射スクリーン４０を用いることで、図３に示す混合した合成輝度の特性を実現できる。

以上説明したように本実施形態の表示装置１は、視差を持つ複数の視点映像を複数のプロジェクタ１０から投影して立体画像を表示する表示装置であって、鑑賞者αが立体画像を視認する視点位置ｄを検出する視点位置検出部２０と、拡散特性が制御される反射スクリーン４０と、視点位置ｄに対応させて拡散特性を制御する拡散特性制御部３０とを備える。これにより、多重像による画質の低下を生じさせない。

なお、上記の説明は、鑑賞者αが一人の例を示したが、鑑賞者αは複数人であっても構わない。鑑賞者αが複数人の場合は、視点位置ｄを、反射スクリーン４０に最も近い鑑賞者αとの間隔にする。これにより、鑑賞者αが移動することで立体画像を視認することができ、立体画像の表示を破綻させない。

また、複数の鑑賞者αのそれぞれの視点位置ｄを検出してその平均値に合わせて反射スクリーン４０の拡散特性を制御するようにしても良い。そうすることで、立体画像を視認できるように鑑賞者αが移動する平均的な移動距離を最小化することができる。

なお、上記の説明は、視点位置検出部２０によって、鑑賞者αの反射スクリーン４０からの正面方向の視点位置ｄを検出し、検出した視点位置ｄに対応させて拡散特性制御部３０が反射スクリーン４０の拡散特性を制御する例を示した。本発明は、上記の実施形態に限定されない。

例えば、視点位置ｄは、予め規定された位置に固定しても良い。視点位置ｄを固定した場合は、反射スクリーン４０の拡散特性を、その視点位置ｄに対応する拡散特性に固定すれば良い。

また、プロジェクタ１０と反射スクリーン４０を、反射スクリーン４０の厚さ方向（ｚ方向）に対向させて配置する例を示したが、この配置は90度回転させても構わない。例えば、所定の高さのテーブルの上に反射スクリーン４０を配置し、高さ方向で対向する位置にプロジェクタ１０を配置させても良い。このように構成すると、所定の高さに立体画像を表示することができる。

また、プロジェクタ１０の数を３つで行ったが、プロジェクタ１０は２つ以上で有れば良い。プロジェクタ１０の数が多い程、表示範囲をｘ方向に拡大することができる。

また、反射スクリーン４０の輝度分布がガウス分布となる例を示したが、輝度分布は線形で有っても良い。要するに、視点移動に伴ってなめらかに輝度が遷移する輝度分布を持つ反射スクリーンであれば代用できる。

また、視点位置ｄは、カメラで撮影して検出する例を説明したがこの例に限定されない。例えば、超音波の反射波で視点位置ｄを検出しても良い。または、鑑賞者αが立つ床上にスイッチを設け、スイッチのオンオフで視点位置ｄを検出するようにしても良い。視点位置検出部２０は、反射スクリーン４０と鑑賞者αとの間の距離を検出できればどのように構成しても構わない。

このように本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形が可能である。

本実施の形態は、設置が容易で輝度も高いため、例えば、屋外用看板、リアルタイムコミュニケーション用の表示板、及びエンターテイメント・アミューズメント用の表記板に適用することができ、コミュケーションの分野で広く利用可能である。

１：表示装置
１０－１，１０－２，１０－３：プロジェクタ
２０：視点位置検出部
３０：拡散特性制御部
４０：反射スクリーン
４０ａ：保持板
４０ｂ：反射層
４０ｃ：ＵＶ重合フレネルレンズ層
４０ｄ：異方性拡散層
５０－１，５０－２，５０－３：投影物
６０－１，６０－２，６０－３：空間結像アイリス面
Ｖ：視差間隔
ｄ：視点位置
Ａ：融合限界角度
α：鑑賞者
β：立体画像
γ：表示範囲

Claims (6)

1. 表示装置が行う、水平方向に視差を持つ複数の視点映像を複数のプロジェクタから投影して立体画像を表示する表示方法であって、
   反射スクリーンと鑑賞者との間隔である視点位置を検出する視点位置検出過程と、
   前記視点位置に対応させて前記反射スクリーンの拡散特性を制御する拡散特性制御過程と、
   複数のプロジェクタから、複数の前記視点映像を前記反射スクリーンに投影する投影過程とを含み、
   前記拡散特性制御過程は、隣接するプロジェクタから投影される視点映像を合成した合成輝度が一定になるように、前記視点位置が所定値より小さい場合は、前記反射スクリーンの拡散角度を狭く制御し、前記視点位置が前記所定値より大きい場合は、前記反射スクリーンの拡散角度を広く制御する
   ことを特徴とする表示方法。
2. 前記拡散特性制御過程は、
   前記反射スクリーンが備える拡散層に印加する交流信号の電圧又はデューティ比を変えて前記拡散特性を制御することを特徴とする請求項１に記載の表示方法。
3. 前記拡散特性制御過程は、
   前記視点位置が所定値より小さい場合は、前記プロジェクタの数を増加させ、前記視点位置が前記所定値より大きい場合は、前記プロジェクタの数を減少させることを特徴とする請求項１又は２に記載の表示方法。
4. 前記拡散特性制御過程は、
   一つの前記プロジェクタの輝度が最も高く視認される前記視点位置において、隣接するプロジェクタの輝度を、前記鑑賞者が視認できる下限の輝度に制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の表示方法。
5. 前記視点位置は、
   前記反射スクリーンと、該反射スクリーンに最も近い位置の鑑賞者との間隔であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の表示方法。
6. 水平方向に視差を持つ複数の視点映像を複数のプロジェクタから投影して立体画像を表示する表示装置であって、
   鑑賞者が前記立体画像を視認する視点位置を検出する視点検出部と、
   拡散特性が制御される反射スクリーンと、
   前記視点位置に対応させて前記拡散特性を制御する拡散特性制御部とを備え、
   前記拡散特性制御部は、隣接するプロジェクタから投影される視点映像を合成した合成輝度が一定になるように、前記視点位置が所定値より小さい場合は、前記反射スクリーンの拡散角度を狭く制御し、前記視点位置が前記所定値より大きい場合は、前記反射スクリーンの拡散角度を広く制御する
   ことを特徴とする表示装置。

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