JP2007264261A

JP2007264261A - 投射型立体表示装置

Info

Publication number: JP2007264261A
Application number: JP2006088551A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Momoi; 芳晴桃井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】１台のプロジェクターで、複数の視差表示を行い効率よく立体表示を行う投射型立体表示装置を提供する。
【解決手段】表示装置１０はプロジェクター１２と投影用ミラー群１４と指向性スクリーン１６で構成され、プロジェクター１２は投影像を、投影用ミラー群１４の各ミラー１８に一致するように投影用ミラー群１４に投影し、投影用ミラー群１４に投影された光は、指向性スクリーン１６上で一つになるように投影用ミラー１８の角度をそれぞれ調整し、１台のプロジェクター１２で複数の視差を表現できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、立体像（三次元画像）を表示可能な投射型立体表示装置に関する。

立体表示装置において視差数と視差密度を効率的に上げる努力が行われてきた。プロジェクターを用いる裸眼立体表示においては、複数のプロジェクターを並べ視差数を上げてきた。そのときにレンズや本体が邪魔になり視差密度を上げることができなかった。それを解決する方法として、プロジェクターを水平方向だけでなく垂直方向にもプロジェクターを配置し、垂直拡散させるスクリーンを用いて水平視差の密度を上げる方法が提案されている。

例えば、特許文献１においては、複数のプロジェクターを二次元配置し、垂直拡散させることで水平の視差に割り当てている。また、特許文献２においては、上記の光学系にレンズを挿入し、平行光の集合として立体像再生することを実現させている。
米国特許第５４３０４７４号公報特許第３５７６５２１号公報

従来の投射型立体表示装置（以下、表示装置という）１００の一例について図１〜図３に基づいて説明する。

表示装置１００は、凸レンズ１０４による裸眼立体表示を行う。図１に凸レンズ１０４による指向性表示の例を示す。

プロジェクター１０２における投影レンズ１０６で凸レンズ１０４上に投影された光は凸レンズ１０４によって集光される。集光された像は投影レンズ１０６の実像であり、その幅は投影レンズ１０６の有効径に投影距離と凸レンズ１０４の焦点距離より決まる倍率ｍで表せる。ここで焦点距離ｆ、投影距離ａとすると

倍率ｍ＝ｆ／（ａ＋ｆ）

となる。この実像が観察者の目が入ったときのみ、このプロジェクター１０２の投影像が観察できる。

２台のプロジェクター１０２から一つのスクリーン上に重なるように投影し、それぞれの投影レンズの実像を人間の左右の目に入るように設置する。右目左目にそれぞれ対応した異なる投影像が観察できるようにすれば、観察者は立体像を観察できるようになる。これが二眼の立体表示装置の原理となる。

プロジェクター１０２の台数を増やせばそれだけ異なる像が投影でき、見る位置によって像が変わるため運動視差が得られる。これが多眼式立体表示である。

ところが、このような表示装置１００を構成すると、プロジェクター１０２の投影レンズ１０６の間隔で観察できる像の密度が決まってしまう。隙間なく投影レンズ１０６を並べて投影することは難しく。隙間ができてしまうと観察できない場所ができてしまう。

そこで、特許文献１、２のように垂直拡散スクリーンを用いる方法が用いられてきた。図２に垂直拡散スクリーンによる要素視域（投影像の観察できるそれぞれの範囲）変化を示す。図３に示すように複数台のプロジェクター１０２を水平だけでなく垂直にも並べる。そのときに凸レンズ１０４をスクリーンとして投影すると図２（ａ）のように要素視域（投影レンズ１０６の実像）が水平垂直に点在する。

例えば、稜線を水平に設置したレンチキュラーシートを凸レンズ１０４に重ね合わせると垂直拡散の作用が加わり、図２（ｂ）のようになる。このとき、凸レンズ１０４の効果は集光するだけでなく平行光にすることもできる。また、集光であろうと発散光であろうと平行光であろうと光線の集合として投影像を作成することで立体像を表示することもできる。

しかし、この方法を用いると複数のプロジェクター１０２もしくは投影レンズ１０６が必要であった。

そこで、本発明は、複数の視差表示を行い効率よく立体表示を行う投射型立体表示装置を提供する。

本発明は、投影像を投射する投射部と、前記投影像を反射する投影用ミラー群と、前記反射された投影像を投影する指向性スクリーンとを有し、前記投射部は、表示させる視差数と等しい数の視差画像が縦横に配された投影画像を投影し、前記投影用ミラー群は、（１）前記視差画像の数と等しい枚数の投影用ミラーを有し、（２）前記複数の投影用ミラーが縦横に配され、（３）前記各投影用ミラーによって反射された各視差画像が前記指向性スクリーン上に重なって一つに投影されるように、前記各投影用ミラーが前記投射部からの前記投影像の光軸に対しそれぞれ異なる角度を持つことを特徴とする投射型立体表示装置である。

本発明は、ミラー光学系を用いることによって、複数の視差表示を行えて、効率よく立体表示を行うことができる。

本発明の一実施形態の投射型立体表示装置（以下、単に表示装置という）１０について図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の表示装置１０について図４と図５に基づいて説明する。

図４は本実施形態の表示装置１０の側面図を示し、図５は投影像と投影用ミラー群１６を示す。

図４に示すように、表示装置１０はプロジェクター１２と投影用ミラー群１４と指向性スクリーン１６で構成されている。

指向性スクリーン１６は垂直方向に拡散作用が強く水平方向に弱い、垂直拡散スクリーンである。

投影像は図５（ａ）のように一画面に１２枚の視差画像が分かれて表示されており、垂直に３段、水平に４行の格子状になっている。垂直方向の段毎に水平位置がずれており、水平位置の位置に応じて視差が異なっている。すなわち、投影画像は、横方向に並ぶ４枚の視差画像が縦方向の段毎にずれて配され、かつ、縦方向に並ぶ３段の視差画像が順番に傾斜して配されることによって、視差画像の画等中心がそれぞれ異なる水平座標となっている。図５では、丸数字１から１２までの１２枚の視差画像が表示されている。水平画像位置によって視差角度が対応させている。均等にずれることによって等間隔の視差角度を表示させることができる。

投影用ミラー群１４は図５（ｂ）のようになっており、投影像に対応した形状と配置になっている。すなわち、視差画像の数と等しい１２枚の投影用ミラー１８を有している。複数の投影用ミラー１８が垂直に３段、水平に４行の格子状に縦横に配されている。また、投影用ミラー群１４は、横方向に並ぶ４枚の投影用ミラー１８が縦方向の段毎にずれて配され、かつ、縦方向に並ぶ３段の投影用ミラー１８が順番に傾斜して配されることによって、投影用ミラー群１４全体として均等に水平座標がずれた配置で形成している。さらに、各投影用ミラー１８によって反射された各視差画像が指向性スクリーン１６上に重なって一つに投影されるように、各投影用ミラー１８がプロジェクター１２からの投影像の光軸に対しそれぞれ異なる角度を持つ。すなわち、投影用ミラー群１４に投影された光は、指向性スクリーン１６上で一つになるように投影用ミラー１８の角度をそれぞれ調整されている。

プロジェクター１２は、前記で説明した投影像の１２枚の視差画像を、投影用ミラー群１４の１２枚の投影用ミラー１８にそれぞれ投影する。

このようにすることによって、本実施形態の表示装置１０は、１台のプロジェクター１２で複数の視差を指向性スクリーン１６上に表現できる。

また、第１の実施形態の変体形として、垂直方向の拡散性を制御し、上下に混ざりあわないように視差を配置することによって水平にも垂直に視差をつけた立体表示を行うこともできる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の表示装置１０について図６〜図１０、図１４、図１５に基づいて説明する。

（１）表示装置１０の構成
図６に本実施形態の表示装置１０の側面図を示し、図７（ａ）に投射用シフトミラー群２０、図７（ｂ）に投影用ミラー群２２、図７（ｃ）に投影像を示している。

第２の実施形態は、第１の実施形態の表示装置１０にさらにもう一つ投射用シフトミラー群２０を加えたものである。すなわち、表示装置１０は、プロジェクター１２と、投射用シフトミラー群２０と、投影用ミラー群２２と、指向性スクリーン１６によって構成される。第１の実施形態では図５（ａ）に示すような１２枚の視差画像のそれぞれが水平方向にずれて配された投影画像であり、どうしても投影画像内に無駄な部分ができてしまっていた。投影用シフトミラーを加えた第２の実施形態では図７（ｃ）に示すような１２枚の視差画像が縦横に格子状に配された長方形状になり、投影像の無駄な隙間をなくすことができる。

投影用ミラー群２２は、第１の実施形態の投影用ミラー群１４と同じ構造であり、例に示すような１２視差の場合１２枚の投影用ミラー２６から構成される。

投射用シフトミラー群２０は、視差画像がｍ段のとき、垂直方向にｍ枚の投射用シフトミラー２４から構成される。例に示している視差画像の形態が３段なので図７（ａ）では、２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃの三枚である。投射用シフトミラー群２０は投影用ミラー群２２の水平ズレ量に合わせて垂直軸２５が回転している。これによって長方形の投影像が水平方向にずれた投影用ミラー群２２の垂直方向の各段の領域に投影することができる。

なお、本実施形態の例では、投影用ミラー２６が１２枚であるが、投影用ミラー２６の枚数がｎ^２（ｎは自然数）のとき、投影された画像のアスペクト比が投影プロジェクターのアスペクト比とほぼ等しく再生される。

指向性スクリーン１６は指向性をもち、特に垂直方向に拡散性を強く持つ。２段のミラー群２０，２２によってブロック状に配置された視差画像（要素画像）を分割し、指向性を持たせ、指向性スクリーン１６上に再結合する。投影画像は視差画像がそのままブロック状に配置されており、画像の隣り合った画素一つ一つ視差を割り当てた画像に対し、画像の圧縮時のノイズが立体像に与える影響も少ない。

（１）光線の広がり
図８にプロジェクター１２と指向性スクリーン１６と観察者の位置関係を示す。

プロジェクター１２からの投影距離をＬ１、プロジェクター１２の投影レンズ２８の有効径をｄ、指向性スクリーン１６（凸レンズとレンチキュラーレンズ）から観察者までの視距離をＬ２とする。

多数のプロジェクター１２で投影するときには、少なくともプロジェクター１２の有効径の間隔を水平方向に隙間なく埋めることによって観察者は隙間なく指向性画像を観察することができる。指向性スクリーン１６において水平方向の拡散を入れることによってより間隔を広くすることもできる。水平方向の光の広がりθｒは指向性スクリーン１６の水平拡散作用がないとき式（１）で表せる。

（２）ミラー配置
図９に投影用ミラー群２２と指向性スクリーン１６の位置関係の上面図を示す。

図１０に指向性スクリーン１６と両ミラー群２０，２２とプロジェクター１２の位置関係の側面図を示す。プロジェクター１２から投射用シフトミラー群２０までの距離をｄ１とし、投射用シフトミラー群２０から投影用ミラー群２２までの距離をｄ２とし、投影用ミラー群２２から指向性スクリーン１６までの距離をｃとする。つまり、ｄ１＋ｄ２＋ｃ＝Ｌ１となる。投影用ミラー群２２の投影用ミラー２６のミラーサイズは水平をａ、垂直をｂとする。投影用ミラー群２２の配置が視差間隔に対応するので、均等な視差間隔を与えるためには投影用ミラー２６の水平位置のずれは垂直にｍ段の場合にはａ／ｍの間隔で与える必要がある。

また、指向性スクリーン１６とプロジェクター１２で立体像を表示できる角度範囲２θは投影用ミラー群２２の水平サイズａと指向性スクリーン１６までの距離ｃから決めることができる。式（２）にその関係式を示す。ここでは垂直ｍ段、水平ｎ段としている。

投影用ミラー２６のミラーサイズは投影倍率ｋによって決めることができる。投影幅＝投影距離／ｋである。

式（２）と式（３）の関係から投影用ミラーとスクリーンまでの距離ｃが導き出せる。

（３）指向性スクリーン１６上の輝度ムラ
結像する手前でミラーによって分割すると、ミラーの縁がぼけるため、指向性スクリーン１６上で輝度ムラが生じる。図１４に指向性スクリーン１６上の輝度ムラを説明する図を示す。

この輝度ムラは投射用シフトミラー群２０の影響が大きい。投射用シフトミラー群２０上でのボケの大きさｘ１をプロジェクター１２の投射レンズの有効径ｄと投射用シフトミラー群２０とプロジェクター１２までの距離ｄ１、投射用シフトミラー群２０から投影用ミラー群２２までの距離ｄ２、投影用ミラー群２２から指向性スクリーン１６の距離ｃ、投影距離Ｌ１を用いて表すと次式となる

ミラーの端がこのボケ量ｘ１として反映され、指向性スクリーン１６上に拡大投影される。指向性スクリーン１６上の輝度ムラの大きさｘは次式で表せる。なお、ミラーの端による画像のケラレはボケ量に対し半分の大きさなので係数の１／２がつく。

指向性スクリーン１６に投影される画像の幅Ｄに対してこのムラの幅ｘの比は、

となる。

１つの視差画像に対しこの比だけ画面を小さく作成することで輝度ムラをなくすことができる。

（４）ミラーの角度
図７（ａ）に示すように、投射用シフトミラー群２０の垂直軸を回転軸２５とする回転角θ１（水平回転）は次式で表せる。

投影用ミラー群２２のミラー角度も、それぞれの座標と、投射用シフトミラー群２０からの光線角度から求めることができる。

（５）微調整と歪み補正
投影用ミラー２６、投射用シフトミラー２４の角度を可動できるようにしておき、テスト画像を用いながら位置や角度を合わせることもできる。テスト画像を用いた位置合わせの例として図１５のフローチャートに基づいて説明する。

ステップ１において、投影用ミラー群２２、投射用シフトミラー群２０、プロジェクター１２、指向性スクリーン１６の中心位置を合わせるように設置する。

ステップ２において、投影用ミラー群２２を段毎にａ／ｍずつずらす。

ステップ３において、プロジェクター１２よりブロック状のテスト画像（テストパターン）を投影し、投射用シフトミラー群２０全体に視差画像が入るように投射用シフトミラー２４の位置を動かす。

ステップ４において、投影用ミラー群２２の中心と投影像の中心を合わせたら、投射用シフトミラー群２０の水平角度を回転させ、投影用ミラー群２２のずれに合わせる。

ステップ５において、指向性スクリーン１６上に中心位置がわかる拡散板を張り、視差画像の中心位置を示したテスト画像を投影しながら、投影用ミラー群２２の角度を調整する。

中心位置はミラー角度で合わせこむことができるが、投影角度の違いによる歪みは調整できない。投影される角度や視差画像それぞれの投影距離によって歪みを補正することができる。

また、テスト画像を用いてカメラで撮影しながらフィードバックさせて歪み補正することもできる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態の表示装置１０について図１１に基づいて説明する。

第１の実施形態や第２の実施形態では垂直に立てられた指向性スクリーン１６にあおり投影して画像を表示している。そのため、レンズ中心と投影中心が等しいとき、光線はそのまま角度を持ったままなので、少し見下ろすように観察するようになってしまう。

そこで、本実施形態では、プリズムシートで光を曲げたり、レンズ中心から投影中心をずらすことによって指向性スクリーン１６の正面から観察できるようにすることができる。

図１１にレンズ中心をずらし指向性スクリーン１６の正面で観察する側面図である。図１１に示すように、レンズ中心を焦点距離の位置で投影中心が通るように投影すれば、正面で観察できる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態の表示装置１０について図１２に基づいて説明する。

指向性スクリーン１６を水平に置いて、斜め下から投影することによって机状のディスプレイから立体像を表示させることもできる。

図１２に平置き表示装置１０について示す。

また、反射型の指向性スクリーン１６を用いて斜め上方から投影することもできる。例えば、ミラーを挟みこんだ凸レンズとレンチキュラーシート斜め上方から投影することもできる。

投影像さえ、指向性スクリーン１６形状に対応させた画像処理をしておけば壁面と床面を指向性スクリーン１６にしておき、投影することによって立体像を表示することもできる。指向性スクリーン１６は平面でなく曲面でもよく、例えば、円筒形や球状の指向性スクリーン１６でもよい。

（第５の実施形態）
第５の実施形態の表示装置１０について図１３に基づいて説明する。

プロジェクター１２を複数用いて視差や表示範囲を増やすことができる。例えば、平置きの立体表示の場合、２組の投影光学系を用いて対面した観察者にそれぞれ異なる立体像を見せることもできる。

（第６の実施形態）
第６の実施形態の表示装置１０について説明する。

複数のプロジェクター１２を用いるとき、投射用シフトミラー群２０を共通して用いることもできる。このときプロジェクター１２の配置をミラーの段数に比例した投影角に合わせれば隙間なく投影することができる。

（第７の実施形態）
第７の実施形態の表示装置１０について説明する。

投射用シフトミラー群２０と投影用ミラー群２２を回転することも考えられる。このとき、投射用シフトミラー群２０の回転速度の２倍の速度で投影用ミラー群２２を回転する。これにより、常に両ミラー２４，２６の対応関係が等しくなる。指向性スクリーン１６も一緒に回転することもできる。

指向性スクリーン１６を水平に置き平置きディスプレイとして表示する場合、レコードのように指向性スクリーン１６の法線を回転軸として回転することもできる。

従来の凸レンズによる指向性表示の例を示す説明図である。垂直拡散スクリーンの説明図である。複数台のプロジェクターを並べた正面図である。本発明の第１の実施形態の表示装置の側面図である。第１の実施形態の投影像と投影用ミラー群を示す図である。第２の実施形態の表示装置の側面図である。第２の実施形態の投影像と両ミラー群を示す図である。プロジェクター、指向性スクリーン、観察者の位置関係を示す説明図である。投影用ミラー群、指向性スクリーン、観察者の位置関係を示す説明図である。プロジェクター、両ミラー群、指向性スクリーンを示す側面図である。第３の実施形態の表示装置の説明図である。第４の実施形態の表示装置の説明図である。第５の実施形態の表示装置の説明図である。輝度ムラの説明図である。調整を行うためのフローチャートである。

符号の説明

１０表示装置
１２プロジェクター
１４投影用ミラー群
１６指向性スクリーン
１８投影用ミラー
２０投射用シフトミラー群
２２投影用ミラー群

Claims

投影像を投射する投射部と、前記投影像を反射する投影用ミラー群と、前記反射された投影像を投影する指向性スクリーンとを有し、
前記投射部は、表示させる視差数と等しい数の視差画像が縦横に配された投影画像を投影し、
前記投影用ミラー群は、
（１）前記視差画像の数と等しい枚数の投影用ミラーを有し、
（２）前記複数の投影用ミラーが縦横に配され、
（３）前記各投影用ミラーによって反射された各視差画像が前記指向性スクリーン上に重なって一つに投影されるように、前記各投影用ミラーが前記投射部からの前記投影像の光軸に対しそれぞれ異なる角度を持つ
ことを特徴とする投射型立体表示装置。
前記投影用ミラー群は、
前記投影用ミラーの中心座標が水平方向にそれぞれ異なる座標持っている
ことを特徴とする請求項１記載の投射型立体表示装置。
前記投影用ミラー群は、
前記投影用ミラーの中心座標が水平方向に均等間隔でそれぞれ異なる座標持っている
ことを特徴とする請求項１記載の投射型立体表示装置。
前記投影用ミラー群は、
前記投影用ミラーの中心座標が垂直方向と水平方向に均等間隔でそれぞれ異なる座標持っている
ことを特徴とする請求項１記載の投射型立体表示装置。
前記投影用ミラーの中心座標が垂直方向は列をなして配置されそれぞれの列は均等間隔で配置され、水平方向は均等間隔でそれぞれ異なる座標持っている
ことを特徴とする請求項２記載の投射型立体表示装置。
前記投射部と前記投影用ミラー群の間に投射用シフトミラー群をさらに有し、
前記投射部は、水平垂直に格子状に配された視差画像からなる投影像を投射し、
前記投射用シフトミラー群は、
（１）前記投影用ミラー群の垂直方向の段数と等しい数の投射用シフトミラーを垂直方向に連なって配置され、
（２）前記各段の投射用シフトミラーは、前記水平方向にそれぞれ異なった座標に連なって配置された前記投影用ミラーに対し、前記投射部からの前記各視差画像をそれぞれ反射させる
ことを特徴とする請求項２記載の投射型立体表示装置。
前記指向性スクリーンは、垂直方向の拡散性が水平方向の拡散性より高い
ことを特徴とする請求項１記載の投射型立体表示装置。
前記指向性スクリーンが、垂直面に配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の投射型立体表示装置。
前記指向性スクリーンが、水平面に配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の投射型立体表示装置。
前記指向性スクリーンが、投影角度と略直角となる角度に配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の投射型立体表示装置。
前記指向性スクリーンが、曲面である
ことを特徴とする請求項１記載の投射型立体表示装置。
前記指向性スクリーンが、回転可能である
こと特徴とする請求項１記載の投射型立体表示装置。
前記指向性スクリーンが、前記指向性スクリーンの法線を回転軸として回転可能である
ことを特徴とする請求項７記載の投射型立体表示装置。
（１）前記投影用ミラーと前記投射用シフトミラーの相対位置が固定され、
（２）前記投影用ミラーと前記投射用シフトミラーとが、前記指向性スクリーンの中心を通る垂直軸を回転軸として回転可能であり、
（３）前記投影用ミラーが、前記投射用シフトミラーの２倍の回転速度で前記回転軸を中心として回転する
ことを特徴とする請求項１記載の投射型立体表示装置。
前記投影用ミラーの枚数がｎ^２である
ことを特徴とする請求項１記載の投射型立体表示装置。
前記一つの投影用ミラー群に投影する投射部を複数有する
ことを特徴とする請求項１記載の投射型立体表示装置。
前記一つの投影用シフトミラー群を共通に使用し投影する投射部を複数有する
ことを特徴とする請求項１記載の投射型立体表示装置。
前記指向性スクリーンが１枚であり、
前記投射部に対応する前記投影用ミラー群が複数組ある
ことを特徴とする請求項１記載の投射型立体表示装置。
投影による画像の歪みを、テスト画像を用いて投影像を修正する修正手段を有する
ことを特徴とする請求項１記載の投射型立体表示装置。
前記各視差画像について、所定の比だけ前記投射用シフトミラーの大きさより小さく構成する
ことを特徴とする請求項６記載の投射型立体表示装置。
前記所定の比が、

ｘ／Ｄ＝ｋ・ｄ（ｃ＋ｄ）・Ｌ１・２・ｄ１

であり、ｘが輝度ムラの幅、Ｄが画像の幅、ｋが投影倍率、ｄは前記投影部の投射レンズの有効径、ｄ１は前記投射用シフトミラー群と前記投影部までの距離、ｃは前記投影用ミラー群から前記指向性スクリーンまでの距離、Ｌ１は前記投影部からの投影距離である
ことを特徴とする請求項２０記載の投射型立体表示装置。