説明

投射型立体表示装置

【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。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【特許文献1】米国特許第5430474号公報
【特許文献2】特許第3576521号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【課題を解決するための手段】
【0014】
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。
【発明の効果】
【0015】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
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。
【0017】
(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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
(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。
【0027】
(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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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(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。
【0032】
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。
【0033】
(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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【数1】

【0036】
(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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【数2】

【0039】
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。
【数3】

【0040】
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。
【数4】

【0041】
(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。
【0042】
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
【数5】

【0043】
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。
【数6】

【0044】
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、
【数7】

【0045】
となる。
【0046】
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。
【0047】
(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。
【数8】

【0048】
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。
【0049】
(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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
(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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
(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。
【0062】
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。
【0063】
図12に平置き表示装置10について示す。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
(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。
【0067】
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。
【0068】
(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。
【0069】
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。
【0070】
(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。
【0071】
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。
【0072】
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。
【図面の簡単な説明】
【0073】
【図1】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。
【図2】垂直拡散スクリーンの説明図である。
【図3】複数台のプロジェクターを並べた正面図である。
【図4】本発明の第1の実施形態の表示装置の側面図である。
【図5】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。
【図6】第2の実施形態の表示装置の側面図である。
【図7】第2の実施形態の投影像と両ミラー群を示す図である。
【図8】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。
【図9】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。
【図10】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。
【図11】第3の実施形態の表示装置の説明図である。
【図12】第4の実施形態の表示装置の説明図である。
【図13】第5の実施形態の表示装置の説明図である。
【図14】輝度ムラの説明図である。
【図15】調整を行うためのフローチャートである。
【符号の説明】
【0074】
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

【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
【請求項2】
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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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。
【請求項5】
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。
【請求項6】
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。
【請求項7】
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。
【請求項8】
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。
【請求項9】
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。
【請求項10】
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。
【請求項11】
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。
【請求項12】
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。
【請求項13】
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。
【請求項14】
(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。
【請求項15】
前記投影用ミラーの枚数がn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。
【請求項16】
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。
【請求項17】
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。
【請求項18】
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。
【請求項19】
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。
【請求項20】
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。
【請求項21】
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。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate

【図10】
image rotate

【図11】
image rotate

【図12】
image rotate

【図13】
image rotate

【図14】
image rotate

【図15】
image rotate


【公開番号】特開2007−264261(P2007−264261A)
【公開日】平成19年10月11日(2007.10.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−88551(P2006−88551)
【出願日】平成18年3月28日(2006.3.28)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】