JPH08146348A

JPH08146348A - 単眼観視距離感調節式ディスプレイ装置

Info

Publication number: JPH08146348A
Application number: JP6287684A
Authority: JP
Inventors: Masanori Ogino; 正規荻野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-11-22
Filing date: 1994-11-22
Publication date: 1996-06-07

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】単眼観視距離感をスクリン位置に独立して設定
し得るディスプレイ装置の提供。【構成】原像形成手段２１の形成する原像は、投写レン
ズ手段によって、結像され、ひとみ写像用光学手段によ
って、その結像位置が変換されて後目のひとみ１へと導
かれる。【効果】投写レンズ手段２２の結像位置をひとみ写像用
光学手段（スクリン）の位置とは独立に設定することに
より、単眼観視距離感を自在に設定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、より自然な単眼観視距
離感を提供できるディスプレイ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】立体ディスプレイ方式としては、ＴＶ誌
Ｖol ４１，Ｎo７，P610〜P618（1987）に示されている
通り、各種の方式が提案されている。これを図１に示
す。

【０００３】しかしながら、いづれの方式も、単眼観視
距離感と２眼観視距離感との間の矛盾を内包していた。
両距離感を、図２によって説明する。

【０００４】図２は、水平断面図であって、１は左目，
２は右目，３は対象物である。単眼距離感は、各目のレ
ンズの空気中換算の焦点距離ｆによって決定される。こ
のｆの値は次式によって決まる。

【０００５】

【数１】

【０００６】上式において、ｂは、目と対象物との間の
距離であって変数である。ａは、目のレンズと網膜との
間の距離を空気中に換算したものである。

【０００７】一方、両眼観視距離感は、図２の角β（輻
輳角）によって決まる。

【０００８】従来技術の立体ディスプレイにおいては、
単に、角βのみを区別することに意が払われており、単
眼距離感との調和についてはなおざりにされていた。そ
して、長時間観視するとめまいがするなどの症例が近年
報告され始めている。（テレビ誌Ｖｏｌ．４８，Ｎｏ．
１０，ｐｐ１３０１〜１３０５）周知の通り、目のひとみの直径（ｄ）は明所視において
は約２ｍｍ，両眼間隔（ｓ）は約６０ｍｍである。単眼
視の方角分解能は光の波長約０．６μｍとひとみ径２ｍ
ｍとの比で決まり、約０．３ｍｒａｄである。従って、
発明者は単眼視の奥行（ｂ）分解能（Δ（１／ｂ））
は、Δ（ｄ／ｂ）を０．３ｍｒａｄに等置して、約１／
（７ｍ）と推定する。また両眼視の奥行（ｓ）分解能
（Δ（１／ｂ））はΔ（ｓ／ｂ）を０．３ｍｒａｄに等
置して、約１／（２００ｍ）と推定する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明のひとつの目的
は、単眼観視距離感をより自然な距離感に合致させ得る
ディスプレイを提供するにある。

【００１０】本発明の他のひとつの目的は、立体ディス
プレイの光学系における左右眼用各画像相互間のクロス
トークを軽減できる立体ディスプレイを提供するにあ
る。

【００１１】本発明の他のひとつの目的は、特殊めがね
着用不要の立体ディスプレイを提供するにある。

【００１２】本発明の他のひとつの目的は、複数人で同
時観視可能な特殊めがね着用不要の立体ディスプレイを
提供するにある。

【００１３】本発明の他のひとつの目的は、エネルギー
効率の優れた、広視野角，大画面感を提供できるディス
プレイを提供するにある。

【００１４】本発明の他のひとつの目的は、上記本発明
における問題点を克服するための方策を提供するにあ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的のうちの少く共
ひとつの目的を達成するために、本発明のひとつの実施
例においては、画像信号から観視距離を検出するための
輻輳角検出手段及び単眼観視距離感調節手段を備える。

【００１６】本発明の他のひとつの実施例においては、
クロストーク低減手段を備える。

【００１７】本発明の他のひとつの実施例においては、
１人の観視者の眼のひとみを投写レンズ手段のひとみの
内側へ写像するためのひとみ写像用光学手段を備える。

【００１８】本発明の他のひとつの実施例においては、
特殊めがねを着用せずに複数人による立体観視を可能と
するためのプリズム列手段を備える。

【００１９】

【作用】上記輻輳角検出手段は、左眼用画像信号と右眼
用画像信号との差信号を分析した結果に基づき輻輳角を
検出し、該輻輳角に基づき、両眼観視距離を導出する。
従って、更に、上記単眼観視距離感調節手段によって、
画像形成面奥行方向の位置を該両眼観視距離に実質的に
整合させることができる。

【００２０】上記クロストーク低減手段は、上記差信号
の一部を左眼用画像信号及び右眼用画像信号に加算及び
減算することにより、左右間のクロストークを低減する
ように作用する。

【００２１】上記ひとみ写像用光学手段は、特殊めがね
を着用することなしに立体視することを可能とするよう
に作用する。

【００２２】更に他の実施例においては、上記ひとみ写
像用光学手段は、広視視野角かつ大画面感のある画像を
省エネルギ的に具現化する。

【００２３】上記プリズム列手段は、立体ディスプレイ
の出射光を少く共ふたつの方向に分岐することによって
複数人による立体観視を可能ならしめる。

【００２４】

【実施例】通常、立体画像信号の生成に際しては、下記
の３条件が成立する。

【００２５】左右眼用カメラの間隔（Ｓ）は人間の目
のそれに合わせて約６０ｍｍとする。

【００２６】左右眼用カメラの光軸は互いに平行とす
る。カメラの画角は、ディスプレイ観視画角に合致さ
せる。以下特記しない場合は、上記３条件を前提する。

【００２７】図３に本発明の輻輳角検出手段の構成を示
す。３は左眼用画像信号入力、３′は右眼用のそれ、４
は減算器、５は絶対値回路（具体的には両波整流回
路）、６は２値化回路、７はウインドウ信号であって、
画像の中央主要部を抜き出すためのものである。１０１
は画面スクリン枠であって、１０２が主要部である。８
はＡＮＤゲート、９はパルス幅検出器、１０は最大値検
出器、１１は最大パルス幅指示信号であって、後述の通
り、最大輻輳角に比例した量である。

【００２８】図３の構成の動作を図４に示す波形図で説
明する。３，３′，５，７，８，９は各番号の部分の出
力波形を示す。３−１は近接主要被写体部、３−２は非
重要遠景部、３−３は近接主要被写体部、３−４は水平
同期信号である。右眼信号（３′）から左眼信号（３）
を減算し、絶対値回路（５）を経て、５の波形が得られ
る。絶対値回路は省略しても良い。更に２値化回路
（６）を経て、ウインドウ信号（７）と共にＡＮＤゲー
ト（８）を経て８の波形が得られる。更にパルス幅検出
器（９）を経て９の波形が得られる。更に最大値検出回
路（１０）を経て、最大パルス幅信号（１１）が得られ
る。前記撮像３条件によれば、観視距離２００ｍの物体
の輪郭部の左右眼差は、６０ｍｍ／２００ｍ即ち０．３
ｍｒａｄ，即ち１画素相当である。また、５ｍの観視距
離の左右眼差は、６０ｍｍ／５ｍ，即ち１２ｍｒａｄ，
即ち約４０画素相当である。即ち、図３の出力（１１）
には、カメラの主要視野（１０２）内に存在する最も至
近距離の物体までの距離に反比例する信号が得られる。
輻輳角は両眼間隔（ｓ）を距離で除した商である。従っ
て、出力（１１）は最近接主要物体の輻輳角に比例す
る。従って図３の構成は、輻輳角検出手段として作用す
ることが理解される。前述の撮像３条件中のの代り
に、予め両カメラに輻輳角を持たしめて撮像する場合に
は、図３の構成において、３と４との間に該輻輳角に対
応する遅延手段を挿入する。以上で図３，４の説明を終
る。

【００２９】次に図５に本発明の単眼観視距離感調節手
段の一例の構成を示す。同図で１，１′，１１は既述の
もの、１２はアクチュエータ（例えばリニアモータ）で
ある、１４，１４′は立体視のための周知の偏光板手
段、１６はスクリン、１５，１５′は少く共凹レンズと
凸レンズの組合せからなり、その間隔を調節可能なレン
ズ手段即ち、単眼観視距離感調節手段である。凸レンズ
の焦点距離をｆ₁、凹レンズのそれをｆ₂、全体のそれを
ｆ、レンズ間隔をＺとすると次式が成立する。尚、ｆ₂
はｆ₁より若干小に設定する。

【００３０】

【数２】

【００３１】従って、アクチュエータ（１２）によっ
て、Ｚを制御することにより全体の焦点距離を可変でき
る。レンズからスクリンまでの距離をＤとすると、スク
リンの像とレンズとの間の距離：ｂ（即ち単眼観視距離
感）は次式となる。

【００３２】

【数３】

【００３３】従って、間隔（Ｚ）を＋−ｆ₁ｆ₂／Ｄだけ
制御することによって、単眼観視距離感を無限遠から
０．５Ｄまでの広範囲にわたって調節できる。一般に、
立体ディスプレイの観視においては、最近接主要物体を
注視することが多い。従って、上記構成によって、単眼
観視距離感を両眼観視距離感と調和させることができ
る。従って観視者の目の疲労が軽減される。特殊めがね
不要化の例は別途図７以降で後述される。

【００３４】以上で図５の説明を終る。

【００３５】次に図６に、本発明のクロストーク低減手
段の構成を示す。同図で、１，１′は既述のもの、１
７，１７′はガンマ復調回路、１８，１８′は係数
（ｋ，約０．０１〜０．２）乗算回路、１９，１９′は
減算回路、２０，２０′は出力である。ガンマ復調回路
１７，１７′は、感覚比例入力を物理比例出力に変換す
る作用を有する。クロストーク発生原因は、図５におけ
る偏光板（１４，１４′）あるいは後述のひとみ写像手
段（２３′，３３）における左右眼用画像光相互間の物
理的クロストークにある。従って、該物理的クロストー
クの係数に乗数（ｋ）を合致させておくことによりクロ
ストークを低減することができる。以上で図６の説明を
終る。

【００３６】次に図７の２３′に本発明のひとみ写像手
段を示す。

【００３７】同図で１，１′，１１，１２は既述のも
の、２１，２１′は原画像形成手段、２２，２２′は投
写レンズ手段である。２３，２４はレンズ面を向い合わ
せにして配置されたフレネルレンズ手段であって、全体
として２３′は、ひとみ写像手段を形成する。矢印付実
線は、左眼用画像光の経路、矢印付点線は右眼用のそれ
を示す。ひとみ写像手段（２３′）の構成要件は、左眼
（１）のひとみを左眼用画像投写レンズ（２２）のひと
みの内部に写像し、右眼（１′）のひとみを右眼用画像
投写レンズ（２２′）のひとみの内部へ写像することで
ある。周知の投写スクリンは投写光をミクロに発散させ
る作用を有する。一方、本ひとみ写像手段（２３′）は
光発散作用を有しない。即ち光非発散性を有する。従っ
て、結像面として作用しない。結像面の奥行方向の位置
は、投写レンズ（２２，２２′）によって決定される。
その様子を図８に示す。同図で、光線２５は、投写レン
ズの結像面の位置をひとみ写像手段（２３′）の位置に
合致させた場合を示す。光線２６は、投写レンズの結像
面の位置を投写レンズとひとみ写像手段との丁度中間に
位置させた場合に、観視者から見ると無限遠と感じられ
ることを示す。光線２７は、投写レンズの結像面の位置
を無限遠とした場合に、観視者から見ると、観視者とひ
とみ写像手段との丁度中間に位置していると感じられる
ことを示す。一般に、ひとみ写像手段（２３′）の焦点
距離をｆとし、図８に示す通りに、投写レンズの結像面
距離：ａ及び観視者の単眼観視距離感：ｂを定義すると
次式が成立する。

【００３８】

【数４】

【００３９】式（７）から理解される通り、既述輻輳角
検出手段の出力（１１）の増減に応じて、投写レンズの
結像距離の逆数（１／ａ）を減増させることによって単
眼観視距離感（ｂ）を制御できることが判る。更に、図
７の構成によれば、従来技術において必要とされた特殊
めがねの着用を不要化できる。

【００４０】本構成において、観視者が観視する画像の
輝度は、ひとみ写像用光学手段の大きさに無関係に、原
画像形成手段の原画像輝度にほゞ合致する。従って従来
の投写スクリン技術に比べて大幅な省電力化を図り得
る。

【００４１】以上で図７，８の説明を終る。

【００４２】次に図９に本発明のプリズム列手段２８を
示す。同図で、２３，２４は既述のもの、２９，３０は
２人の観視者である。同図で矢印付実線は左眼用投写
光、矢印付点線は右眼用投写光の各経路を示す。プリズ
ム列手段（２８）によって投写光を２方向に分解できる
ことが理解される。該２方向間の角度は、画面中央部に
おける分解角度を基準として、画面左右端において若干
小とする必要がある。この要求は、プリズム列手段のプ
リズム角を左右端において弱めることによって容易に実
現できる。図１０に３人観視用のプリズム列手段２８′
を示す。観視画像の輝度はプリズムによる分配数に反比
例して低下する。以上で図１０，１１の説明を終る。

【００４３】図１１にひとみ写像手段（２３，２４）に
内在する色収差を補償するための色収差補正手段３１を
示す。３２は、色分散の小さい材質（例えばアクリル樹
脂）からなるフレネル凸レンズ、３３は色分散の大きい
材質（例えばスチレン樹脂）からなるフレネル凹レンズ
である。本構成によって、赤緑青の各光に対する屈折角
を等化することができる。以上で図１１の説明を終る。

【００４４】図１２に、本発明のプリズム列手段の形状
の変形例２８″を示す。同図は垂直断面図である。同図
において観視者は複数人存在するが、紙面に垂直の方向
に分布するため同図には１人のみ示してある。同図に示
すようにプリズム列手段（２８″）を円筒面状に反らせ
て形成することにより、プリズム列手段と観視者の目と
の間の距離を垂直方向に関して一様化できる。従ってよ
り広い画角（α）のシステムへの応用が可能となる。以
上で図１２の説明を終る。

【００４５】図１３に、ひとみ写像用光学手段の変形例
３２を示す。同図で３２はフレネルミラーである。

【００４６】図１４に、更にプリズム列手段２８と組合
せた変形例を示す。図１５に更にそれらを一体化形成し
た変形例を示す。

【００４７】図１６に視野角の拡大された変形応用例を
示す。３３−１〜３３−５はひとみ写像用光学手段であ
って、各々に対応する投写レンズ手段、原画像表示手段
は、略記してある。

【００４８】図１７に、実生活に貢献し得る応用例を示
す。

【００４９】同図で１２，２１，２２，２９，３３は既
述のもの、３４は、撮像用カメラと一体化された、カメ
ラ位置，方向駆動手段及び送受信装置である。３５はア
ンテナ、３６はアンテナ、３７は送受信装置、３８はカ
メラ位置，方向制御手段、３９は、図３の構成、即ち輻
輳角検出手段である。観視者２９がカメラ位置，方向制
御手段（３８）を操作することによって、３７，３６，
３５を経由してカメラの位置，方向が駆動される。一
方、画像信号は、３４，３５，３６，３７，２１の経由
で伝送され、３３を経て観視者２９の目に入る。その
際、３９，１２の作用によって、単眼観視距離感と輻輳
角との整合が常に保たれる。従って、合理的な遠隔制御
作業の遂行が可能となる。

【００５０】図示しないが、既述輻輳角検出手段を使用
する代りに、信号源（カメラまたはコンピュータ）側か
ら、単眼観視距離指示信号を別途出力し、それに基づい
て、ディスプレイ側の像面の位置を制御しても良い。

【００５１】本発明の既述ひとみ写像用光学手段は、単
に立体視用ディスプレイに用いて有用であるばかりでな
く、講演用演卓における聴衆と講演者との間のいわゆる
アイコンタクト改善用に用いることができる。それを図
１８に示す。同図で２１，２２，２３は既述のもの、４
１は講演卓、４２はミラー、４３はメニスカス状透明板
であって、その外側／内側表面の内、一方のみに無反射
コーティングが施されている。従って他方の面で一部の
光（約５％の光）が反射される。講演者４０はこの反射
を利用して画像を観視できる。即ち、４３はひとみ写像
用光学手段として作用する。同時に講演者４０は、メニ
スカス状透明板を経由して、聴衆をも観視できる。従っ
てアイコンタクトを保つことができる。投写レンズ手段
２２のレンズは、講演者から見える像の位置が、聴衆の
重心位置にほゞ等しくなるように設定される。本例にお
いては、立体視は必ずしも必要でない。従って、原画像
形成手段２１及び投写レンズ手段を各１ヶのみ使用して
良い。その場合、観視者の両眼のひとみが、ひとみ写像
用光学手段４３によって、投写レンズ手段２２のひとみ
の内部へ写像されるように構成することが推しょうされ
る。また、用途によっては、２組の原画像形成手段と投
写レンズ手段とを用い、かつ各々に独立な画像情報を映
出するようにしても良い。この場合、講演者は目の位置
を左右に移動することにより、２者択一することができ
る。

【００５２】図１８に示した形式のものは、自動車また
は飛行機の運転席にも応用することができる。その場合
には、各々のフロントガラスをひとみ写像用光学手段と
して活用すれば良い。あるいはフロントガラスの内側に
専用のひとみ写像用光学手段を形成すれば良い。

【００５３】既述の立体ディスプレイは単眼のみで観視
する用途に用いても良い。

【００５４】以上で本発明の各実施例の説明を終る。

【００５５】

【発明の効果】本発明のひとつの実施例によれば、単眼
観視距離感を両眼観視距離に整合させることにより、よ
り自然な立体視のできるディスプレイを提供できる。

【００５６】本発明の他のひとつの実施例によれば、左
右眼用画像相互間のクロストークを低減することによ
り、よりすっきりした立体画像を提供できる。

【００５７】本発明の他のひとつの実施例によれば、特
殊めがねを着用することなしに、更に従来技術の必要と
した高価なレンチキュラレンズを使用することなしに、
鮮明な立体画像を提供できる。

【００５８】本発明の他のひとつの実施例によれば、複
数人による立体画像の同時並列観視が可能となる。

【００５９】本発明の他のひとつの実施例によれば、講
演者がひとみ写像用光学手段を活用することにより、聴
衆との間で良好なアイコンタクトを保ちつつ、講演をす
ることができる。別の応用例においては、自動車または
飛行機の運転の円滑化に貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来方式の各種立体ディスプレイである。

【図２】立体感の由来を説明するための図である。

【図３】本発明の輻輳角検出手段の構成である。

【図４】本発明の輻輳角検出手段の動作説明用波形図で
ある。

【図５】本発明の単眼観視距離感調節手段の構成の一例
を示す図である。

【図６】本発明のクロストーク低減手段の構成である。

【図７】本発明のひとみ〜ひとみ写像手段の構成及び、
単眼観視距離感調節手段の構成の他の一例を示す図であ
る。

【図８】図７の動作原理を説明するための図である。

【図９】本発明のプリズム列手段の構成と作用を示す図
である。

【図１０】本発明のプリズム列手段の変形例を示す図で
ある。

【図１１】本発明のフレネル式色収差補正手段を示す図
である。

【図１２】本発明のプリズム列手段の変形例を示す図で
ある。

【図１３】本発明のひとみ〜ひとみ写像手段の変形例を
示す図である。

【図１４】本発明の変形例を示す図である。

【図１５】本発明の変形例を示す図である。

【図１６】本発明の変形例を示す図である。

【図１７】本発明の変形例を示す図である。

【符号の説明】

１…左眼、１′…右眼、２…観視点、３…左眼用画像信号、３′…右眼用画像信号、４…減算器、５…絶対値回路、６…２値化回路、７…ウインドウ信号、８…ＡＮＤゲート、９…パルス幅検出器、１０…最大値検出器、１１…最大パルス幅指示信号、１２…アクチュエータ、１４，１４′…偏光板、１５，１５′…焦点距離可調節めがね、１６…スクリン、１７，１７′…ガンマ復調器、１８，１８′…係数乗算器、１９，１９′…減算器、２１，２１′…原画像形成手段、２２，２２′…投写レンズ手段、２３，２４…フレネルレンズ、２３′，３３…ひとみ写像用光学手段、２８，２８′，２８″…プリズム列手段、３２…フレネルミラー、３５，３６…アンテナ、３４，３７…送受信機、３８…カメラ位置／方向制御手段。

【手続補正書】

【提出日】平成７年３月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】