WO2010095486A1

WO2010095486A1 - 立体表示装置

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Publication number: WO2010095486A1
Application number: PCT/JP2010/050780
Authority: WO
Inventors: 篤山中
Original assignee: シャープ株式会社
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2010-08-26
Also published as: JPWO2010095486A1

Abstract

　ジェームズ・ギブソンが提唱する知覚心理学的な要素に着目し、多画面立体表示をシームレスに接続するにより、高臨場感のある立体表示装置を提供する。水平または水平面に対して鋭角に配設され立体映像が表示される第一の立体表示パネルと、垂直または垂直面に対して鋭角に配設され立体映像が表示される第二の立体表示パネルとを有し、前記第一の立体表示パネルの上辺部と前記第二の立体表示パネルの下辺部を略平行に近接して配設し、前記第一、第二の立体表示パネルの前記近接した表示パネルの間隙部に対して当該間隙部を観察者から不可視とするように光線を屈折させる光学手段を設けている。前記第一、第二の立体表示パネルは、それぞれ水平面または垂直面に対して、０度から４０度の範囲に配設される。

Description

立体表示装置

　本発明は、高い臨場感を実現するための立体表示装置に関する。

　近年、大画面テレビの普及と高精細デジタル放送の開始で、二次元映像では、家庭で大画面高精細映像を楽しめる環境が整ってきた。
　一方、次世代映像システムとして、立体表示の高臨場感映像システムへの期待が高まってきている。

　図９（Ａ）は、従来例の立体ディスプレイ１０００の外観を示しており、立体表示パネル１００１が前面にあり、この立体表示パネル１００１を支持機構１００２が支持している構成である。
　通常、立体ディスプレイ１０００は、略水平な面に設置され、立体表示パネル１００１の表示面の法線方向が水平方向を中心に微調整できるように設計されている。

　この立体表示パネル１００１に用いられる方式には、観察者が専用メガネを掛ける必要のあるメガネ有り方式と、専用メガネが不要のメガネ無し方式があり、さらに、メガネ無し方式には、視差バリア方式と、レンチキュラレンズ方式がある。

　図９（Ｂ）は、従来例の一例として、視差バリア方式の原理図を示している。ディスプレイ１００３は、画素構造を持っており、画素を縦列毎に、２グループに分け、一方に右眼用の映像を表示し、他方に左眼用の映像を表示する。ディスプレイ１００３の前面には、視差バリア１００４が配置されている。視差バリア１００４は、画素の縦列のピッチと略同じピッチで、光を透過する部分と、不透過な部分が繰り返され、縦縞模様状に見える光学フィルムである。

　ディスプレイ１００３の表示面と、視差バリア１００４の間には、通常ガラス基板が存在し、一定の間隔を持つ配置となっている。そのため、図９（Ｂ）のように、透過部分を左右の各眼用の画素グループの間に配置すると、右眼用の画素グループのみが見える領域と、左眼用の画素グループのみが見える領域を作ることができる。

　従って、各一方の画素グループのみが見える領域の間隔を眼の幅に合わせることで、観察者の左右の各眼に、右眼用と左眼用の映像を独立して提示することができるので、観察者の視覚に立体感を生じさせることができる。
　視差バリア方式以外の方法でも、観察者の左右の眼に独立した映像を提示することで、観察者の視覚に立体感を生じさせる原理は同様である。

　上記のように左右の各映像を観察者の眼に提示した場合、立体再生像が生じる位置について説明する。
　図１０において、立体表示パネル１００１に右眼用画像１００５と、左眼用画像１００６が表示されており、右眼用画像１００５が左眼用画像１００６より画面に向かって左側に表示している状態を示している。この場合、観察者の左右各眼１００７，１００８が、立体表示パネル１００１上の対応する映像のみを見える位置にある条件では、図中、矢印で示す光路を通り、観察者の各眼に映像が伝達されることになる。
　すると、観察者の視覚は、類似する左右の映像がある場合、これらを一体の立体物からの光線として認識するので、原理的には、立体ディスプレイ１０００の手前に立体再生像１００９があるように知覚されることになる。

特開２００５－１０２１９８号公報

ジェームズ・ギブソン著、「生態学的視覚論―ヒトの知覚世界を探る」、サイエンス社、１９８６年３月発行

　しかし、実際には、上記従来例のような構成の立体表示装置において、立体の再生像を、手前に形成するように設計し、表示しても、再生像が立体表示装置内部あるいは、表面付近に留まり、必ずしも手前まで飛び出してくる印象を与えられないことがあった。

　この問題点を解決する上で、重要な知覚心理学上の知見として、ギブソンの空間知覚における地面説がある（非特許文献１参照）。この説によると「自然空間内にある様々な対象は、それが置かれた地面との間で知覚的に構造化さているとともに、それらは相互に関連し合って存在している」と考え、特に奥行知覚においては、「観察者と対象の間に存在する連続した面が重要な規定要因である」と指摘している。

　本発明は、上述のジェームズ・ギブソンが提唱する知覚心理学的な要素に着目し、多画面立体表示をシームレスに接続することにより、高臨場感のある立体表示装置を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明の立体表示装置は、水平または水平面に対して鋭角に配設され立体映像が表示される第一の立体表示パネルと、垂直または垂直面に対して鋭角に配設され立体映像が表示される第二の立体表示パネルとを有し、前記第一の立体表示パネルの上辺部と前記第二の立体表示パネルの下辺部を略平行に近接して配設し、前記第一、第二の立体表示パネルの前記近接した表示パネルの間隙部に対して当該間隙部を観察者から不可視とするように光線を屈折させる光学手段を設けている。
　前記第一、第二の立体表示パネルは、それぞれ水平面または垂直面に対して、０度から４０度の範囲の角度で配設される。

　前記光学手段として、次のいずれかを用いるものとする。
（１）前記第一、第二の立体表示パネルの全体を覆うプリズムシートであり、前記第一、第二の立体表示パネルの表示面に対応するプリズムの屈折角度を反対方向とする。
（２）前記間隙部に、２つのシリンドリカルレンズを略平行に配置する。
（３）前記第一、第二の立体表示パネルを覆う透明平板であり、当該透明平板の前記間隙部に対応する部分にシリンドリカルレンズを一体に形成する。

　本発明によれば、従来の立体ディスプレイのように、立体映像を表示できるのに加えて、臨場感を増強するのに必須な地面方向の立体映像を表示することが可能となる。
　その結果、手軽に家庭やオフィスで利用できるサイズでありながら、高い臨場感を実現できる。

実施形態１に係る立体表示装置の外観を示す図である。実施形態１で表示される立体再生像を説明する図である。実施形態１における間隙の解消を説明する図である。実施形態２に係る立体表示装置の構成を説明する図である。実施形態２における間隙の解消を説明する図である。実施形態３に係る立体表示装置の構成を説明する図である。実施形態３における間隙の解消を説明する図である。実施形態３における間隙の解消を説明する図である。従来の立体ディスプレイの外観と表示方式を説明する図である。従来の立体ディスプレイで表示される立体再生像の位置を説明する図である。従来の立体ディスプレイで表示される立体再生像を説明する図である。

　以下、図面を参照して本発明の立体表示装置に係る好適な一実施形態について詳細に説明する。

＜実施形態１＞
　従来の立体表示装置の映像表示部分は、通常、１枚の平面であり、観察者は、表示面に対して略法線方向から観察していた。図１１は、従来の立体表示装置において、表示面より手前に立体再生像を飛び出させて表示した状況を示している。図１０を用いて説明したように、左右眼用の映像１００５，１００６を表示し、その画面上でのずれの長さ（視差量）を、観察者の眼１００７，１００８の位置と左右眼の幅から計算して設定すれば、幾何学的関係から、理論上は、立体再生像１００９の位置を立体表示装置と眼の間の任意の位置に再生することが可能である。

　しかし、実際に立体表示装置を製作し、上記のように視差量を計算して左右眼用の映像を表示しても、計算された再生像の位置に飛び出して存在するように知覚されないことがあった。
　この原因は、ヒトの空間知覚の特性にあると考えられている。実際、観察者から見て、立体再生像は図１１のように見えるが、この立体再生像１０１０は、当然、観察者から見て立体表示装置の画面を見込む視野内にしか表示できないため、必然的に空中に浮かんでいる立体再生像しか表示できない。

　ここで、ヒトの空間知覚で著名な研究者であるジェームズ・ギブソンが非特許文献１の著書「生態学的視覚論」で展開した地面説によると、ヒトの空間知覚においては、「観察者と対象の間に存在する連続した面が重要な規定要因であり」、「自然空間内にある様々な対象は、それが置かれた地面との間で知覚的に構造化されて理解される。」と指摘している。

　従って、図１１に示した従来の立体表示装置が作る立体再生像では、観察者から立体再生像までの地面のつながりが断絶されているため、立体再生像が幾何光学的に表示されているはずの場所に、立体再生像が実在するように感じられない結果になるものと理解できる。

　本発明は、このような従来方式の課題をヒトの空間知覚特性の理解に基づいて解決するためになされたものであり、図１に示すような構成を持つものである。
　図１は、実施形態１に係る立体表示装置の外観を示す外観図である。同図において、立体表示装置１００は、四角形かつ略平面の第一の立体表示パネル１０１と四角形かつ略平面の第二の立体表示パネル１０２の相対する一辺を略平行に接近させて配置している。これらの立体表示パネル１０１，１０２には、視差バリア方式を用いるものとする。

　第一の立体表示パネル１０１は、第一の支持機構１０３により、立体表示装置１００を設置する水平面と第一の立体表示パネル１０１の表示面とのなす角度１０７が０度から４０度の範囲内に支持される。
　第二の立体表示パネル１０２は、第二の支持機構１０４により、立体表示装置１００を設置する水平面と第二の立体表示パネル１０２の表示面とのなす角度１０８が５０度から９０度の範囲内に支持される。また、この角度は、立体表示装置１００を設置する垂直面と第二の立体表示パネル１０２の表示面とのなす角度を０度から４０度の範囲内と言い換えてもよい。

　上記の角度１０７や角度１０８は、角度１０７を２０度、角度１０８を７０度とするのが好ましいが、用途により、観察者が立体表示装置を見る方向を想定して、見やすい角度に設定してもよい。例えば、立体表示装置を机の上に設置して使用する場合には、観察者が斜め上方から見下ろすことになるため、角度１０７を０度、角度１０８を５０度とする。また、立体表示装置を壁に埋め込み、第二の立体表示パネルを目の前、正面に見る場合には、角度１０７を４０度、角度１０８を９０度とする。

　また、第一の支持機構１０３と第二の支持機構１０４は、第一と第二の立体表示パネル１０１，１０２の相対する位置がずれないように、支持機構接続部１０５で接続されている。さらに、観察者から見て、第一と第二の立体表示パネル１０１，１０２の表示面の間隙が見えないようにするため、これらの立体表示パネルの表面にプリズムシート１０６が配置されている。
　図１では、説明の便宜のため、立体表示パネルから離して図示しているが、表示面間隙部以外では、立体表示パネル１０１，１０２に貼り付けてもよい。

　次に、本実施形態１に係る立体表示装置１００と上述した従来の立体表示装置の機能の違いについて説明する。

　本実施形態１の立体表示装置１００では、上下２枚の立体表示パネル１０１，１０２を備えているため、その各々に連続的な左右眼用映像を連動して表示することにより、図２（Ａ）に示すように地面まで接続した立体再生像２０１が表示できる。また、観察者から見ると立体表示装置１００には図２（Ｂ）の立体再生像２０２のように表示されている。

　観察者からは、観察者の立っている位置から、例えば床面を通って立体表示装置１００が置かれている机を通り、さらに下側の立体表示パネル１０１に繋がり、その上に立体再生像２０１が再生されるので、ジェームズ・ギブソンの地面説が指摘する「観察者と対象の間に存在する連続した面」が確立される。
　その結果、図２（Ａ），（Ｂ）に示す立体再生像２０１，２０２が、あたかも下側の立体表示パネル上に実在するかのようにリアリティをもって感覚されるようになる。

　この場合、立体表示装置１００を図１のような構成にすると、何らかの原因により第一の立体表示パネル１０１と第二の立体表示パネル１０２の間にパネル間隙が生じる場合がある。すると、本来立体再生像の後ろに隠されるはずのパネル間隙によって立体再生像が分断されることになり、「立体再生像がパネル間隙より手前にある」との空間知覚を大きく阻害する結果となる。

　本実施形態１では、図３に示したようなプリズムシート１０６を用いることによりこの課題を解決した。本実施形態１では、上下の立体表示パネルは、１８０度以下の角度を持って配置されているが、図３では、説明の便宜上平面上にあるものとして示すが基本的機能は変わらない。

　図３において、プリズムシート１０６のプリズムは、ノコギリ刃状の凹凸面を持ち、第一の立体表示パネル側１０６ａと、第二の立体表示パネル側１０６ｂで、屈折する角度が反対方向になるように配置されている。その結果、パネル間隙１０９から出た光線１１１，１１２は、観察者の眼１１０に届かなくなり、不可視とすることが可能となる。
　パネル間隙１０９に対応するプリズムシート１０６の屈折する角度が反対方向となっていることから、第一と第二の立体表示パネル１０１，１０２から出た光線がパネル間隙１０９を埋めるようになった光線１１３が眼１１０に届くので、観察者から見ると第一と第二の立体表示パネル１０１，１０２の映像が分断されることなく連続して見えるようになる。

　以上の本実施形態１により、従来課題であった、立体再生像の手前への飛び出し効果の低減を、解決することができ、高い臨場感を実現することができる。

＜実施形態２＞
　本実施形態２では、実施形態１のプリズムシートの代わりに、パネル間隙に対応した位置にシリンドリカルレンズを一体化した透明シートを用いる点のみ相違しており、他の部分については同一である。

　図４は、本実施形態２に係る立体表示装置の構成を説明する図であり、同図において、立体表示装置１００の第一と第二の立体表示パネル１０１，１０２の表示面の間隙が見えないようにするため、これらの立体表示パネル１０１，１０２の表面に透明シート３０１が配置されている。この透明シート３０１は、第一と第二の立体表示パネル１０１，１０２の間隙部分を隠すように対応させて２つのシリンドリカルレンズを一体となるようにしている。図４では、説明の便宜のため、立体表示パネルから離して図示しているが、表示面間隙部以外では、立体表示パネルに貼り付けてもよい。

　図５に示すように、パネル間隙１０９から出た光線は、シリンドリカルレンズ３０１ａ，３０１ｂによって、光線３０２，３０３のように観察者の眼１１０に届かなくなり、不可視とすることが可能となる。但し、シリンドリカルレンズ３０１ａ，３０１ｂの不可視領域と反対側の部分に対応した立体表示パネルの領域３０４，３０５もまた不可視となるので、予め、映像を補正しておく。

　尚、透明シートを用いずに、第一と第二の立体表示パネル１０１，１０２の間隙部分を隠すように２つのシリンドリカルレンズ３０１ａ，３０１ｂを立体表示パネル１０１，１０２に貼り付けるようにしてもよい。
　以上のように本実施形態２を構成することにより、パネル間隙に近接させてシリンドリカルレンズを置くだけで、高い臨場感を実現する立体表示装置を低コストで実現可能である。

＜実施形態３＞
　本実施形態３では、実施形態１のプリズムシートの代わりに、パネル間隙に対応した位置がシリンドリカルレンズを形成する透明平板を用いる点のみ相違しており、他の部分については同一である。

　図６は、本実施形態３に係る立体表示装置の構成を説明する図であり、同図において、立体表示装置１００の第一と第二の立体表示パネル１０１，１０２の表示面の間隙が見えないようにするため、これらの立体表示パネルの表示面にシリンドリカルレンズと一体となった透明平板４０１（４０１ａ，４０１ｂとは一体となっている。）を配置する。この透明平板４０１ａ，４０１ｂは、第一と第二の立体表示パネル１０１，１０２の間隙部分に対応する領域がシリンドリカルレンズを構成している。図６では、説明の便宜のため、立体表示パネルから離して図示しているが、表示面間隙部以外では、立体表示パネルに貼り付けてもよい。

　図７に示すように、パネル間隙１０９から出た光線は、透明平板４０１に一体となっているシリンドリカルレンズ４０１ａ，４０１ｂによって、光線４０３，４０４のように観察者の眼１１０に届かなくなり、不可視とすることが可能となる。
　本実施形態３では、実施形態２に見られたパネル間隙以外の領域が不可視になる現象がないため、立体像を高画質にすることができる。

　尚、透明平板４０１と一体に形成したシリンドリカルレンズ４０１ａ，４０１ｂの向きは、図８に示すように観察者側を平面としてもよい。この場合、ディスプレイ上にタッチパネルを容易に形成できるので、部品点数を削減することができる。

　また、上記の実施形態において、第一と第二の立体表示パネル１０１，１０２を支持する第一と第二の支持機構１０３，１０４を一体とし、支持機構接続部１０５を設けないようにしてもよい。

　また、本実施形態１では、立体表示パネルに、視差バリア方式を用いたが、用途に応じて、背景技術で説明した他の方式を用いることもできる。
　また、上述の３種の実施形態は、性能、コスト、および、他の部材との整合性などの要求仕様により選択することができる。

　本発明の立体表示装置は、ＣＧゲームのプレイ、３Ｄフォト・ムービーの鑑賞、シミュレーション結果の３Ｄビジュアライゼーション、３Ｄプレゼンテーション、３Ｄデジタルサイネージあるいは、立体テレビ放送の視聴に利用可能である。

１００…立体表示装置、１０１…第一の立体表示パネル、１０２…第二の立体表示パネル、１０３…第一の支持機構、１０４…第二の支持機構、１０５…支持機構接続部、１０６…プリズムシート、１０６ａ…立体表示パネル側、１０６ｂ…立体表示パネル側、１０７…第一の立体表示パネルの角度、１０８…第二の立体表示パネルの角度、１０９…パネル間隙、１１０…観察者の眼、１１１，１１２，１１３…光線、２０１，２０２…立体再生像、３０１…透明シート、３０１ａ，３０１ｂ…シリンドリカルレンズ、３０２，３０３…光線、３０４，３０５…シリンドリカルレンズのパネル間隙と反対側に対応する表示パネルの領域、４０１，４０１ａ，４０１ｂ…シリンドリカルレンズと一体の透明平板、４０３，４０４…光線、１０００…立体ディスプレイ、１００１…立体表示パネル、１００２…支持機構、１００３…ディスプレイ、１００４…視差バリア、１００５…右眼用画像、１００６…左眼用画像、１００７…観察者の左眼、１００８…観察者の右眼、１００９…立体再生像、１０１０…立体再生像。

Claims

　水平または水平面に対して鋭角に配設され立体映像が表示される第一の立体表示パネルと、垂直または垂直面に対して鋭角に配設され立体映像が表示される第二の立体表示パネルとを有し、前記第一の立体表示パネルの上辺部と前記第二の立体表示パネルの下辺部を略平行に近接して配設し、前記第一、第二の立体表示パネルの前記近接した表示パネルの間隙部に対して当該間隙部を観察者から不可視とするように光線を屈折させる光学手段を設けたことを特徴とする立体表示装置。
　前記第一、第二の立体表示パネルは、それぞれ水平面または垂直面に対して、０度から４０度の範囲に配設されることを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。
　前記光学手段は、前記第一、第二の立体表示パネルの全体を覆うプリズムシートであり、前記第一、第二の立体表示パネルの表示面に対応するプリズムの屈折角度を反対方向とすることを特徴とする請求項１または２に記載の立体表示装置。
　前記光学手段は、前記間隙部に、２つのシリンドリカルレンズを略平行に配置することを特徴とする請求項１または２に記載の立体表示装置。
　前記光学手段は、前記第一、第二の立体表示パネルを覆う透明平板であり、当該透明平板の前記間隙部に対応する部分にシリンドリカルレンズを一体に形成することを特徴とする請求項１または２に記載の立体表示装置。