(57)【要約】【課題】効率的に立体像の解像度を向上することができる画像表示システムを提供する。【解決手段】複数の投射部と、光制御レンズと、レンズアレイとを備える。複数の投射部は、投射面上に要素画像をそれぞれ投射する。光制御レンズは、投射面と平行に配置され、複数の投射部から入射する投射光を収束する。レンズアレイは、光制御レンズから入射する投射光を収束する複数の要素レンズを配列してなる。投射面と光制御レンズとの距離は、光制御レンズの焦点距離と等しいことを特徴とする。【選択図】図２
2018010055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投射面上に要素画像をそれぞれ投射する複数の投射部と、
前記投射面と平行に配置され、前記複数の投射部から入射する投射光を収束する光制御レンズと、
前記光制御レンズから入射する投射光を収束する複数の要素レンズを配列してなるレンズアレイと、
を備え、
前記投射面と前記光制御レンズとの距離は、前記光制御レンズの焦点距離と等しいこと
を特徴とする画像表示システム。
【請求項２】
前記複数の投射部は、前記投射面上の少なくとも一方向に一定の間隔で配置され、または
前記複数の投射部は、前記投射面上の一方向と前記一方向に交差する他の方向に、方向毎に一定の間隔で配置され、
前記間隔は、隣接する要素レンズの間隔に、前記要素レンズの焦点距離に対する前記光制御レンズの焦点距離の比を乗じて得られる距離の１／Ｎ（但し、Ｎは、２以上の整数）であること
を特徴とする請求項１に記載の画像表示システム。
【請求項３】
前記複数の投射部の光軸方向は、それぞれ前記複数の要素レンズの光軸方向に平行であること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像表示システム。
【請求項４】
前記複数の投射部から入射する投射光が前記複数の要素レンズを通過して形成される輝点の位置に基づいて、前記複数の投射部に共通の被写体をそれぞれ異なる視点から観察される画像を前記要素画像として取得する画像取得部を備える
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の画像表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
立体画像を表示する方式には、インテグラル方式がある。その原理は、立体映像のもととなる複数の要素画像の光線を、それぞれ対応する要素レンズからなるレンズアレイを介して提示することである。要素画像は、各視点において取得される共通の被写体を表す画像である。各要素画像の光線で表される被写体の像は、その被写体が存在する位置に結像する。そのため、被写体の自然な立体表示が可能になる。インテグラル方式は、ＩＰ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ  Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ）方式と呼ばれることもある。以下、インテグラル方式によって表示される立体画像をインテグラル立体像、または単に立体像と呼ぶことがある。
【０００３】
インテグラル立体像について、解像度の向上、視域の拡大、奥行き再現性能の向上などの高品質化が期待されている。しかしながら、例えば、解像度が８Ｋを超える高精細映像にインテグラル方式を適用することは困難を伴う。高品質化には、高精細な要素画像や微小な要素レンズを必要とするためである。
【０００４】
そこで、複数のプロジェクタを用いてインテグラル立体像を高品質化する方式が提案されている。例えば、非特許文献１には、複数台のプロジェクタを用いて立体像の視域を広げる方式について記載されている。非特許文献１に記載の方式では、複数のプロジェクタで形成される立体表示の視域が連続的に接続されるように、構成要素が配置される。
【０００５】
非特許文献２には、複数台のプロジェクタを用いてインテグラル立体像の解像度を向上する方式が提案されている。この方式において、複数台のプロジェクタは、それぞれ要素画像の投射光をレンズアレイに直接投射する。レンズアレイを形成する要素レンズは、投射光を集光して複数の輝点を出力面に形成する。輝点の数は、インテグラル立体像の画素数に相当する。プロジェクタを増加することによって、解像度を向上することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】佐々木  久幸，三浦  雅人，洗井  淳，２０１２年映像情報メディア学会年次大会講演予稿集，「複数のＭＥＭＳレーザープロジェクタを用いた視域拡大型インテグラル立体映像表示」，１４−８，２０１２年８月２９日
【非特許文献２】山崎眞見，小池崇文，宇都木  契，３次元画像コンファレンス２００８，「重畳投影した複数の実像と偏向光学系を用いたライトフィールド高密度化技術」，４−４，２００９年７月１０日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１に記載の方式において、インテグラル立体像の解像度を向上するためには、より微細な要素レンズや、より高密度な表示デバイスが必要となる。そのため、さらに高精細化することは困難である。また、非特許文献２に記載の方式によれば、各視点方向の要素画像が直接レンズアレイに投射されるので、投射光はプロジェクタから離れるほど広がる。輝点の数や位置の分布が画面内において均等ではなく、観察位置によっても異なる。そのため、インテグラル立体像の解像度は、必ずしも効率よく向上することができなかった。また、プロジェクタ配置やレンズアレイへの光投射方向も不均一であるため、表示装置で再現する光線を測定後、それにあわせて要素画像を作成する必要がある。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、効率的に立体像の解像度を向上することができる画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、［１］本発明の一態様は、投射面上に要素画像をそれぞれ投射する複数の投射部と、前記投射面と平行に配置され、前記複数の投射部から入射する投射光を収束する光制御レンズと、前記光制御レンズから入射する投射光を収束する複数の要素レンズを配列してなるレンズアレイと、を備え、前記投射面と前記光制御レンズとの距離は、前記光制御レンズの焦点距離と等しいことを特徴とする画像表示システムである。
［１］の構成によれば、光制御レンズを透過する複数の投射部からの投射光は、平行光となって要素レンズに入射する。各要素レンズの焦点が分布する面には、要素レンズを透過した複数の投射部からの投射光の一部をなす光線がそれぞれ収束して輝点が形成される。立体像を表す画素として作用する輝点は、要素レンズの焦点よりも空間的に密に形成され、各輝点からの投射光が互いに重畳して放射される。そのため、投射部の投射素子や要素レンズの径を微細にしなくても、立体像の解像度を向上することができる。
【００１０】
［２］本発明の一態様は、上述の画像表示システムであって、前記複数の投射部は、前記投射面上の少なくとも一方向に一定の間隔で配置され、または、前記複数の投射部は、前記投射面上の一方向と前記一方向に交差する他の方向に、方向毎に一定の間隔で配置され、前記間隔は、隣接する要素レンズの間隔に、前記要素レンズの焦点距離に対する前記光制御レンズの焦点距離の比を乗じて得られる距離の１／Ｎ（但し、Ｎは、２以上の整数）であることを特徴とする。
［２］の構成によれば、レンズアレイからの投射光が進行する方向の距離が焦点距離となる前焦点面において、投射部が配置される方向の各等分点に輝点が形成される。複数の投射部で形成された輝点位置が均等になるため、立体像の解像度が向上するとともに、複数の投射部で異なる投射方向から投射して輝点を形成するため、立体像が観察される視域を拡大することができる。
【００１１】
［３］本発明の一態様は、上述の画像表示システムであって、前記複数の投射部の光軸方向は、それぞれ前記複数の要素レンズの光軸方向に平行であることを特徴とする。
［３］の構成によれば、各投射部からの要素画像を表す投射光は、各要素レンズの光軸方向に入射する。そのため、レンズアレイから投射光が受光される方向の距離が焦点距離となる後焦点面において、各投射部からの要素画像の全体が結像する。各輝点から到来する光線を統合して得られる要素画像の全体が互いに重畳して観察されるので、確実に立体像が視認される。
【００１２】
［４］本発明の一態様は、上述の画像表示システムであって、前記複数の投射部から入射する投射光が前記複数の要素レンズを通過して形成される輝点の位置に基づいて、前記複数の投射部に共通の被写体をそれぞれ異なる視点から観察される画像を前記要素画像として取得する画像取得部を備える。
［４］の構成によれば、後焦点面に形成される輝点が、各視点から観察される共通の被写体を表す要素画像の画素として生成される。各輝点の位置は、投射部の位置に基づいて一意に定まるため、その投射部に投射させる要素画像を容易に制作することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、効率的に立体像の解像度を向上し、視域を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る画像表示システムの構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る画像表示システムの光学配置の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る画像表示システムの構成要素間の位置関係の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るプロジェクタユニットの一般化した配置例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る画像表示システムにより形成される輝点の配置パターンの例を示す正面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る画像表示システムにおけるプロジェクタユニットの配置例を示す正面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る画像表示システムにおけるプロジェクタユニットの配置例を示す側面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る画像表示システムによる視域の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る画像表示システム１の構成例を示すブロック図である。
画像表示システム１は、立体映像生成部１０と、映像記録再生部１１と、プロジェクタアレイ１２と、光制御レンズ１３と、レンズアレイ１４と、を含んで構成される。プロジェクタアレイ１２は、複数のプロジェクタユニットを含み、それらを所定の方向に配列して形成される。レンズアレイ１４は、複数の要素レンズを含み、それらを共通の平面内に配列して形成される。
【００１６】
立体映像生成部１０は、立体映像を表す複数の要素画像を生成する。立体映像生成部１０は、被写体の立体的形状を示す３次元データと、各プロジェクタユニットの位置とレンズアレイ１４の特性に基づいて、各プロジェクタユニットについて視点が異なる共通の被写体を表す要素画像を生成する。レンズアレイ１４の特性として、例えば、レンズピッチ、各要素レンズの位置、焦点距離など、輝点（後述）の位置を定めるための要件が含まれる。レンズピッチとは、互いに隣接する要素レンズの間隔である。輝点は、立体像を表す画素に相当する点であり、プロジェクタユニットおよび要素レンズの組毎に形成される。そこで、立体映像生成部１０は、共通な被写体をプロジェクタユニット毎に異なる視点から観察される画像を、当該プロジェクタユニットに係る複数の輝点を用いて表される画像を要素画像として生成する。立体映像生成部１０は、生成した要素画像を示す要素画像データを映像記録再生部１１に出力する。
【００１７】
映像記録再生部１１は、立体映像生成部１０から入力されたプロジェクタユニット毎の要素画像データを記録する記憶媒体を含んで構成される。映像記録再生部１１は、記憶媒体に記録された要素画像データまたは立体映像生成部１０から入力された要素画像データを、それぞれ対応するプロジェクタユニットに出力する。
【００１８】
プロジェクタアレイ１２を構成するプロジェクタユニットは、それぞれ映像記録再生部１１から入力される要素画像データが示す要素画像を表す光線を生成し、生成した光線を光制御レンズ１３に投射する。以下、プロジェクタユニットが投射する光線を、投射光と呼ぶ。
【００１９】
光制御レンズ１３は、各プロジェクタユニットから入射する投射光の広がりを制御し、透過した投射光を平行光にする。光制御レンズ１３から透過した投射光は、レンズアレイ１４に投射される。レンズアレイ１４を形成する各要素レンズから要素画像の投射光の一部をなす光線が透過する。透過した光線が表す要素画像の一部を要素レンズ間で統合してなる要素画像が、プロジェクタユニット間で互いに重なり合って観察されることによって、被写体の立体的形状を表すインテグラル立体像が視認される。なお、光制御レンズ１３の形状が球面であると仮定すると、斜めに入射して透過する光線の平行度が、入射角が大きくなるほど低下することがある。そこで、プロジェクタユニットから光線が入射される入射角の範囲内において、透過する光線が平行光または平行光に十分に近似される光線が得られる形状であれば、光制御レンズ１３の形状は、非球面形状であってもよい。光制御レンズ１３は、例えば、フレネルレンズである。フレネルレンズが採用されることにより、大画面化しても厚くならずに済む。光制御レンズ１３の大きさとして、画面の大きさと同等の大きさが要求されるためである。
【００２０】
（光学配置）
次に、本実施形態に係る画像表示システム１の光学配置の一例について説明する。
図２は、本実施形態に係る画像表示システム１の光学配置の一例を示す図である。
図２に示す例では、プロジェクタアレイ１２は、Ｎ台のプロジェクタユニット１２１〜１２Ｎを含んで構成される。Ｎは、２以上の整数である。また、図２において、立体映像生成部１０と映像記録再生部１１の図示が省略されている。
【００２１】
プロジェクタアレイ１２は、光制御レンズ１３からの光軸方向の距離が焦点距離Ｆと等しい距離に配置される。焦点距離Ｆは、光制御レンズ１３の焦点距離である。つまり、プロジェクタユニット１２１〜１２Ｎのそれぞれの光学中心と光制御レンズ１３との距離が焦点距離と等しくなる位置にプロジェクタユニット１２１〜１２Ｎが配置される。以下の説明では、プロジェクタユニット１２１〜１２Ｎのそれぞれの光学中心が配置される平面を投射面と呼ぶ。投射面は、光制御レンズ１３が配置される方向に平行である。この配置により、光制御レンズ１３を透過するプロジェクタユニット１２１〜１２Ｎのそれぞれからの投射光が平行光となる。光制御レンズ１３と図２において破線、実線で表されるプロジェクタユニット１２１、１２２からの投射光は、光制御レンズ１３を透過して平行光としてレンズアレイ１４に投射される。
【００２２】
レンズアレイ１４を構成する複数の要素レンズは、共通の平面内に互いに重なり合わないように配列される。以下の説明では、要素レンズが配列される平面を配列平面と呼ぶ。要素レンズの光軸の方向は、それぞれ配列平面に垂直な方向である。各要素レンズは、光制御レンズ１３を透過した投射光の一部をなす光線を収束する凸レンズで構成される。他方、光制御レンズ１３を透過した投射光のレンズアレイ１４への入射角は、プロジェクタユニット１２１〜１２Ｎの位置に応じて異なる。それぞれの投射光は平行光であるので、各要素レンズを透過した光線は、それぞれ異なる位置に収束し輝点を形成する。そのうち、光軸の方向に入射する光線は、各要素レンズの焦点に収束する。形成される輝点は、焦点が分布する平面上に分布する。以下の説明では、レンズアレイ１４よりも投射光が透過する方向に焦点が分布する平面を前焦点面１５と呼び、レンズアレイ１４よりも光制御レンズ１３に焦点が分布する平面を後焦点面１７と呼ぶ。よって、レンズアレイ１４の配列平面から前焦点面１５、後焦点面１７のそれぞれまでの距離は、各要素レンズの焦点距離と等しい。また、プロジェクタユニット１２１〜１２Ｎのそれぞれからの投射光の焦点は、後焦点面１７に合わせている。そのため、後焦点面１７には、プロジェクタユニット１２１〜１２Ｎのそれぞれからの要素画像が投射され、各要素レンズの主面には要素画像の一部が結像する。各要素レンズに結像する要素画像の一部は、プロジェクタユニット１２１〜１２Ｎ間で視差を制御可能な単位となり、要素画像を構成する画素に相当する。以下の説明では、この要素画像の一部を要素画像単位と呼ぶことがある。
【００２３】
図２に示す例では、破線、実線は、それぞれプロジェクタユニット１２１、１２２から投射された投射光を示す。プロジェクタユニット１２２からの投射光は、要素レンズの光軸に平行に入射するため○印で示す焦点に収束する。プロジェクタユニット１２１からの投射光は、その要素レンズの光軸よりも上方から平行に入射する。その要素レンズを透過した光線は、△印で示す輝点に収束する。輝点は、前焦点面１５内に分布するが、焦点よりも下方に形成される。このように、各プロジェクタユニット１２１〜１２Ｎからの投射光に基づく輝点は、要素レンズの焦点とは異なる位置に形成されうる。各輝点において収束した要素画素単位を表す光線が、視聴空間に放射され、要素レンズ間で要素画素単位を統合して形成される要素画素がプロジェクタユニット間で重畳して観察されることによって、立体像が視認される。上述したように、輝点は、立体像を形成する要素画像単位に対応する。従って、要素レンズの焦点よりも密に輝点を分布させ、かつ間隔を均等にすることにより、インテグラル立体像の解像度を向上させることができる。輝点の位置は、次に説明するように画像表示システム１の構成要素間の位置関係に依存する。
【００２４】
次に、本実施形態に係る画像表示システム１の構成要素間の位置関係について説明する。図３は、本実施形態に係る画像表示システム１の構成要素間の位置関係の一例を示す図である。図３に示す例では、画像表示システム１を構成するプロジェクタユニットの個数は３台である。３台のプロジェクタユニット１２１〜１２３は、ｘ方向に一列に一定間隔にその順序で配置されている。ここで、ｘ方向は、光制御レンズ１３の光軸の方向とは直交する投射面上の垂直方向である。プロジェクタユニット１２２の光学中心は、光制御レンズ１３の光軸上に配置される。プロジェクタユニット１２１、１２３の光学中心の位置は、それぞれプロジェクタユニット１２２の光学中心からｘ方向に距離Ｌだけ離れた位置である。光制御レンズ１３までのプロジェクタユニット１２１〜１２３からの、光制御レンズ１３の光軸方向の距離は、光制御レンズ１３の焦点距離Ｆに相当する。そのため、プロジェクタユニット１２１から光制御レンズ１３のへの投射角θは、式（１）で表されるように、焦点距離Ｆに対する距離Ｌの比の逆正接に相当する。
【００２５】
【数１】
2018010055.tif 000003
【００２６】
投射角θは、光制御レンズ１３の主点ＨＬ１からプロジェクタユニット１２１の光学中心の方向と、光制御レンズ１３の光軸ＡＬ１の方向となす角度である。プロジェクタユニット１２１からの投射光は、光制御レンズ１３を通過して平行光となる。光制御レンズ１３を透過した投射光も、レンズアレイ１４に投射角θに相当する入射角で入射する。そして、レンズアレイ１４の要素レンズは、その光軸から投射角θだけ離れた方向に入射した投射光の一部をなす光線を収束し、前焦点面１５上に輝点が形成される。他方、プロジェクタユニット１２２からの投射光は、光制御レンズ１３の光軸ＡＬ１の方向に透過し、その方向はレンズアレイ１４の要素レンズの光軸の方向と同一である。従って、要素レンズを透過したプロジェクタユニット１２２からの投射光の一部をなす光線は、その要素レンズの焦点に収束し、輝点が形成される。図３では、プロジェクタユニット１２１、１２２、１２３のそれぞれの投射光に基づく輝点が、△印、○印、□印で表される。プロジェクタユニット１２１、１２２のそれぞれの投射光による輝点間の距離ｍは、式（２）で表されるように、距離Ｌに、光制御レンズ１３の焦点距離Ｆに対する要素レンズの焦点距離ｆの比を乗じて得られる距離に相当する。
【００２７】
【数２】
2018010055.tif 000004
【００２８】
輝点間の距離ｍを、レンズピッチｐの２等分、すなわちｍ＝ｐ／２に設定するには、距離Ｌを、ｐ・Ｆ／（２・ｆ）と設定すればよい。レンズピッチｐは、互いに隣接する要素レンズ間の距離である。プロジェクタユニット１２２、１２３のそれぞれの投射光に基づく輝点間の距離もｍとなる。
また、レンズピッチｐ内で、プロジェクタユニット１２１〜１２３のそれぞれの投射光に基づく輝点を３等分、すなわち均等にｍ＝ｐ／３と設定する場合には、距離Ｌをｐ・Ｆ／（３・ｆ）と設定すればよい。
【００２９】
次に、ｘ方向に２Ｎ＋１台のプロジェクタユニット１２−Ｎ〜１２Ｎがその順序で配列されている場合に一般化する。次に説明する例では、Ｎは１以上の整数である。図４は、本実施形態に係るプロジェクタユニットの一般化した配置例を示す図である。図４に示す例において、プロジェクタユニット１２０の光学中心が光制御レンズ１３の光軸上に配置されている。プロジェクタユニット１２ｎから光制御レンズ１３への投射角θ＋ｎは、式（３）で与えられる。
【００３０】
【数３】
2018010055.tif 000005
【００３１】
式（３）において、Ｌ＋ｎは、光制御レンズ１３からプロジェクタユニット１２ｎの光学中心へのｘ方向の距離を示す。このとき、要素レンズの焦点からプロジェクタユニット１２ｎの投射光に基づく輝点までの距離ｍ＋ｎは、式（４）で与えられる。
【００３２】
【数４】
2018010055.tif 000006
【００３３】
従って、プロジェクタユニット１２ｎの投射光に基づく輝点とそれに隣接するプロジェクタユニット１２ｎ−１の投射光に基づく輝点の間の輝点間隔Δｓは、式（５）で与えられる。
【００３４】
【数５】
2018010055.tif 000007
【００３５】
式（５）において、ΔＬは、プロジェクタユニット１２ｎの光学中心とプロジェクタユニット１２ｎ−１の光学中心の間の距離を示す。式（５）は、輝点間隔Δｓが、プロジェクタユニット間の間隔ΔＬの光制御レンズ１３の焦点距離Ｆに対する要素レンズの焦点距離ｄの比を乗じて得られることを示す。
従って、レンズピッチｐのＭ等分の位置、即ち、Δｓ＝ｐ／Ｍとなる位置に輝点を形成するには、Ｍ＋１台またはＭ台のプロジェクタユニットを間隔ΔＬで均等に配列すればよい。Ｍは、２以上の整数である。このとき、間隔ΔＬは、式（６）で与えられるように、レンズピッチｐに、要素レンズの焦点距離ｆに対する光制御レンズ１３の焦点距離Ｆの比Ｆ／ｆを乗じて得られる距離ｐ・Ｆ／ｆをＭ等分した値となる。
【００３６】
【数６】
2018010055.tif 000008
【００３７】
以上、図２〜図４に示す例では、ｘ方向にプロジェクタユニットが配列される場合に形成される輝点を例にしたが、これには限られない。プロジェクタユニットがｙ方向に配列される場合、ｘ−ｙ平面内に２次元的に分散配置される場合についても、同様にプロジェクタユニット間の間隔と、輝点間の間隔との関係を導くことができる。ここで、ｘ−ｙ平面は、上述した投射面を示す。ｙ方向は、ｘ−ｙ平面において、ｘ方向に直交する方向、即ち、水平方向である。
【００３８】
（輝点の配置パターンの例）
次に、前焦点面１５内に等間隔に形成される輝点の配置パターンの例について説明する。図５（a）に示す例では、輝点の配置パターンは正方配列である。つまり、輝点は、正方格子の各格子点上にｘ、ｙ方向それぞれに等間隔に配列されている。破線で示す正方形の領域は、その中心が各１個の要素レンズの焦点ｆ０となる領域である。正方形は、周期的に繰り返して形成される正方格子の単位図形に相当する。各領域は、それぞれの要素レンズに対応する。１つの領域には、４個の輝点が含まれる。図５（ａ）において、ａ、ｂ、ｃ、ｄは、それぞれプロジェクタユニットの投射光に基づく輝点を示す。ｘ方向の輝点間隔Δｘは、ｘ方向のレンズピッチｐｘの１／２に相当する。ｙ方向の輝点間隔Δｙは、ｙ方向のレンズピッチｐｙの１／２に相当する。なお、図５（ａ）に示す例では、ｘ方向の輝点間隔Δｘは、ｙ方向の輝点間隔Δｙと等しい。
【００３９】
図５（ｂ）に示す例では、輝点の配置パターンはデルタ配列である。デルタ配列は、行間隔が各行内の輝点間隔の半分であって、隣接する行間における輝点の位置のずれが各行内の輝点間隔の半分となる配列である。ｘ方向、ｙ方向の輝点間隔は、それぞれ２Δｘ’、２Δｙ’である。また、Δｘ’はΔｙ’と等しい。ｘ−ｙ平面内において、ｘ方向から左回りに４５度傾いた方向の輝点間隔は、√２Δｘ’である。以下の説明では、この４５度傾いた方向を、交差方向と呼ぶ。各要素レンズに対応する正方形の領域には、１３個の輝点が含まれる。図５（ｂ）において、ａ’〜ｍ’は、それぞれプロジェクタユニットの投射光に基づく輝点を示す。輝点ｇ’は、要素レンズの焦点ｆ０’の位置に形成される。ｘ方向の輝点間隔２Δｘ’は、ｘ方向のレンズピッチｐｘの１／２に相当する。ｙ方向の輝点間隔２Δｙ’は、ｙ方向のレンズピッチｐｙの１／２に相当する。また、交差方向の輝点間隔√２Δｘ’は、レンズピッチｐｘの１／２√２に相当する。
【００４０】
（プロジェクタユニットの配置例）
次に、プロジェクタユニットの配置例について説明する。
図６（ａ）は、プロジェクタユニット１２ａ〜１２ｄの配置例を示す。プロジェクタユニット１２ａ〜１２ｄの光学中心の位置は、投射面上の単位図形に相当する正方形の各頂点に配置される。輝点ａ〜ｄのｘ−ｙ平面内の配列方向は、それぞれ対応するプロジェクタユニット１２ａ〜１２ｄのｘ−ｙ平面内の配列方向と逆方向である。より具体的には、プロジェクタユニット１２ａ〜１２ｄは、下方から上方、右方から左方の順に配列されているのに対し、輝点ａ〜ｄは、上方から下方、左方から右方の順に配列されている。輝点ａ〜ｄの中心点Ｆ０は、要素レンズの焦点ｆ０に対応する点である。また、ｘ、ｙ方向に隣接するプロジェクタユニット間の間隔ΔＬｘ、ΔＬｙは、それぞれΔｘ・Ｆ／ｆ、Δｙ・Ｆ／ｆである。レンズピッチｐｘ、ｐｙを用いて表すと、間隔ΔＬｘ、ΔＬｙは、それぞれｐｘ・Ｆ／（２・ｆ）、ｐｙ・Ｆ／（２・ｆ）となる。従って、中心点Ｆ０を中心とするｘ方向の幅がｐｘ・Ｆ／ｆ、ｙ方向の幅がｐｙ・Ｆ／ｆとなる正方形の領域内にプロジェクタユニット１２ａ〜１２ｄが配置されることで、クロストークが回避される。
【００４１】
図６（ｂ）は、プロジェクタユニット１２ａ’〜１２ｍ’の配置例を示す。投射面上に配置されるプロジェクタユニット１２ａ’〜１２ｍ’の光学中心の位置は、図５（ｂ）に示す輝点ａ’〜ｍ’にそれぞれ対応する。従って、プロジェクタユニット１２ａ’〜１２ｍ’の配列も、デルタ配列となる。また、プロジェクタユニット１２ａ’〜１２ｍ’の配列方向は、輝点ａ’〜ｍ’の配列方向とは、逆方向である。プロジェクタユニット１２ｇ’の光学中心の位置は、プロジェクタユニット１２ａ’〜１２ｍ’の中心点Ｆ０’に相当する。そして、プロジェクタユニット１２ｇ’からの投射光の輝点ｇ’が要素レンズの焦点ｆ０’に位置する。２つのプロジェクタユニットの光学中心間のｘ方向の間隔、例えば、プロジェクタユニット１２ｊ’、１２ｌ’間の間隔ΔＬｘ’は、Δｘ’・Ｆ／ｆである。また、２つのプロジェクタユニットの光学中心間のｙ方向の間隔、例えば、プロジェクタユニット１２ｈ’、１２ｊ’間の間隔ΔＬｙ’は、Δｙ’・Ｆ／ｆである。また、２つのプロジェクタユニットの光学中心間の間隔ΔＬｘ−ｙ’は、√２Δｘ’・Ｆ／ｆである。レンズピッチｐｘ、ｐｙを用いて表すと、間隔ΔＬｘ、ΔＬｙ、ΔＬｘ−ｙは、それぞれｐｘ・Ｆ／（４・ｆ）、ｐｙ・Ｆ／（４・ｆ）、ｐｘ・Ｆ／（２√２・ｆ）となる。つまり、図６（ｂ）に示すプロジェクタユニットの配置パターンは、一方の正方配列が他方の正方配列から交差方向に√２ΔＬｘ’だけずれてなり、それぞれの正方配列のｘ、ｙ方向の間隔が２ΔＬｘ’、２ΔＬｙ’となる。この例においても、中心点Ｆ０’を中心とするｘ方向の幅がｐｘ・Ｆ／ｆ、ｙ方向の幅がｐｙ・Ｆ／ｆとなる正方形の領域内にプロジェクタユニット１２ａ’〜１２ｍ’が配置されることで、クロストークが回避される。
【００４２】
なお、図５（ｂ）に示す例では、輝点ａ’、ｃ’、ｋ’、ｍ’は、他の３つの要素レンズに対応する領域の頂点でもある。そのため、プロジェクタユニット１２ａ’、１２ｃ’、１２ｋ’、１２ｍ’のうち、いずれか３台までは省略されてもよい。また、輝点ｂ’、ｌ’は、それぞれ注目する要素レンズに対して上方、下方に隣接する要素レンズに対応する領域の辺上にある。そのため、プロジェクタユニット１２ｂ’、１２ｌ’のいずれかが省略されてもよい。また、輝点ｆ’、ｈ’は、それぞれ注目する要素レンズに対して左方、右方に隣接する要素レンズに対応する領域の辺上にある。そのため、１２ｆ’、１２ｈ’のいずれかが省略されてもよい。例えば、プロジェクタユニット１２ａ’〜１２ｍ’のうち、プロジェクタユニット１２ｃ’、１２ｈ’、１２ｋ’、１２ｌ’、１２ｍ’が省略されてもよい。
【００４３】
上述したように、各プロジェクタユニットからの投射される要素画像が、後焦点面１７内に結像されることが望ましい。例えば、図７（ａ）に示すようにレンズアレイ１４を構成する要素レンズの光軸ＡＬ２に対して交差する方向にプロジェクタユニット１２ｘの投射光軸ＡＰ１を傾けて配置する場合を仮定する。プロジェクタユニット１２ｘが投射する要素画像が結像する結像面１７’は、光軸ＡＰ１に対して直交するので、後焦点面１７に対して傾倒する。そのため、後焦点面１７に要素画像の全体が結像しない。
【００４４】
そこで、本実施形態では、図７（ｂ）に示すように、プロジェクタユニット１２ｘの投射光軸ＡＰ１を、レンズアレイ１４を構成する要素レンズの光軸ＡＬ２に平行に配置する。つまり、投射光軸ＡＰ１の方向を、光制御レンズ１３の光軸ＡＬ１の方向とも平行に設置する。そして、プロジェクタユニット１２ｘにおいて映像表示素子１８ｘの中心点を、光軸ＡＰ１よりも上方に所定の距離だけシフトして配置させておく。これにより、映像表示素子１８ｘからの投射光が光軸ＡＬ２に交差する方向に光制御レンズ１３を介して投射されても、要素画像を後焦点面１７に結像させることができる。なお、図７（ｂ）に示す例では、映像表示素子１８ｘの光軸ＡＰ１からの変位ｄ（シフト量）を、プロジェクタユニット１２ｘの投射レンズ１９ｘの焦点距離ｆｐに対する比ｄ／ｆｐが、投射光の光軸ＡＬ２に対する投射角θの正接ｔａｎθとなるように設定しておけばよい。
【００４５】
画像表示システム１を構成する複数のプロジェクタユニット間において、解像度、輝度範囲、色域などの表示特性が共通していてもよい。これにより、各プロジェクタユニットからの投射光に基づく要素画像を重畳して視認される立体像の品質の視点による変化が少なくなる。立体像の品質の要素には、輝度、色、奥行再現性能などが含まれる。なお、複数のプロジェクタユニット間において、表示特性は必ずしも共通でなくてもよい。例えば、プロジェクタユニット間において解像度が異なっていてもよい。投射光の光軸ＡＬ２に対する投射角θが０に近くなるように配置されるプロジェクタユニットほど解像度が高いプロジェクタユニットが用いられ、投射角θが大きくなるように配置されるプロジェクタユニットほど解像度が低いプロジェクタユニットが用いられてもよい。投射角θが０に近くなることは、対応する輝点の位置が要素レンズの焦点に近くなること（図５参照）、つまり、プロジェクタユニットの光学中心の位置が焦点に対応する単位図形の中心点に近接すること（図６参照）を意味する。その場合には、レンズアレイ１４の正面に近い視域について立体像の解像度が高くなる。正面から離れた周辺視域ほど、解像度の低下が許容されるので主観品質が維持される。従って、視域を拡大するために解像度が低いプロジェクタユニットを追加することで、コストの増加が抑制される。
【００４６】
（視域）
次に、図３に例示される画像表示システム１を例にして、視認される立体像の視域について説明する。図８は、視域の一例を示す図である。プロジェクタユニット１２１〜１２３のそれぞれからの投射光は、レンズアレイ１４を構成する要素レンズにより収束され、前焦点面１５内に輝点ｌ１、ｌ２、ｌ３が形成される。輝点ｌ２は、その要素レンズの焦点に相当する。視聴者は、輝点ｌ１、ｌ２、ｌ３からそれぞれ放射される光線が表す像を視認する。θ１は、プロジェクタユニット１２２からの投射光に基づく像が視認される視域１の視域角を示す。視域角θ１は、輝点ｌ２に対向する要素レンズの見込み角、つまり、輝点ｌ２から端点ｅ２の方向と、輝点ｌ２から端点ｅ３とのなす角度に相当する。従って、視域角θ１は、２・ａｒｃｔａｎ（ｐ／（２・ｆ））となる。θ２は、プロジェクタユニット１２１、１２３のそれぞれからの投射光に基づく像が視認される視域２の視域角を示す。視域角θ２は、輝点ｌ１から端点ｅ１の方向と、輝点ｌ３から端点ｅ４の方向とのなす角度に相当する。端点ｅ１は、輝点ｌ１に対向する要素レンズに対して、輝点ｌ２から輝点ｌ１の方向に隣接する要素レンズの端点である。端点ｅ４は、輝点ｌ３に対向する要素レンズに対して、輝点ｌ２から輝点ｌ３の方向に隣接する要素レンズの端点である。従って、視域角θ２は、２・ａｒｃｔａｎ（ｐ／ｆ）と、視域角θ１よりも大きい。網掛けで塗りつぶされた領域は、領域１、２が重なり合う領域３である。領域３は、３つの輝点ｌ１、ｌ２、ｌ３の全てから放射される投射光に基づく像が観察され領域である。言い換えれば、レンズアレイ１４の正面となる領域３から解像度が高い立体像が観察される。
【００４７】
また、視域２は、視域１よりも広いため、視域１を含まない斜め方向の領域が存在する。この斜め方向の領域では、２つの輝点ｌ１、ｌ３から放射される投射光の視点の異なる像を重畳して観察されるので立体像が視認される。つまり、領域３で視認される立体像よりも解像度が低下するが、立体像が視認される領域が領域２に拡張されることを示す。言い換えれば、正面からの観察によれば、解像度が高い立体像が視認され、解像度が低下する代わりに立体像が観察される周辺領域が追加される。このことは、解像度の向上と視域の拡大を両立するとともに、運動視差による解像度の変化をもって立体感が強調されることを示す。このことによっても、効果的な立体像の提示が実現される。
【００４８】
以上に説明したように、本実施形態に係る画像表示システム１は、投射面上に要素画像をそれぞれ投射する複数のプロジェクタユニットと、投射面と平行に配置され、複数のプロジェクタユニットから入射する投射光を収束する光制御レンズ１３を備える。画像表示システム１は、光制御レンズ１３から入射する投射光を収束する複数の要素レンズをそれぞれの光軸に垂直な面に配列してなるレンズアレイ１４を備える。そして、投射面と光制御レンズ１３との距離は、光制御レンズ１３の焦点距離Ｆと等しい。
【００４９】
この構成によれば、複数のプロジェクタユニット、例えば、プロジェクタユニット１２１〜１２Ｎから光制御レンズ１３を透過する投射光は平行光となって要素レンズに入射する。各要素レンズの焦点が分布する前焦点面１５には、要素レンズを透過した複数のプロジェクタユニットからの投射光の一部をなす光線がそれぞれ収束して輝点が形成される。各輝点からの投射光は、互いに重畳して放射される。複数のプロジェクタユニットが用いられることで、立体像を形成する要素画像の画素として作用する輝点が、要素レンズの焦点よりも空間的に密に形成される。そのため、プロジェクタユニットの投射素子や要素レンズの径を微細にすることなく、効率的に立体像の解像度が向上する。例えば、非特許文献２に記載の方式では、レンズアレイに投射される投射光は平行光ではないため、立体像が観察される視域が必ずしも所望の方向や角度に形成されない。これに対して、本実施形態に係る画像表示システム１では、プロジェクタユニットの位置に応じて輝点の位置が定まる。そのため、輝点の配置に基づいて立体像が観察される視域が所望の方向や角度に形成される。そこで、表示装置の仕様に適した要素画像をプロジェクタユニット毎にあらかじめ作成しておき、作成した要素画像を対応するプロジェクタユニットから投射することにより立体像を再生することができる。
【００５０】
また、本実施形態に係る画像表示システム１において、複数のプロジェクタユニットは、投射面上の少なくとも一方向、例えば、ｘ方向に、一定の間隔で配置される。または、複数のプロジェクタユニットは、投射面上の一方向とその一方向に交差する方向、例えば、ｘ方向と、ｘ方向に４５度に交差する方向に、方向毎に一定の間隔で配置される。その間隔は、方向毎のプロジェクタユニットの間隔に、要素レンズの焦点距離ｆに対する光制御レンズの焦点距離Ｆの比を乗じて得られる距離の１／Ｎである。但し、Ｎは、２以上の整数である。
この構成によれば、レンズアレイ１４からの投射光が進行する方向の距離が焦点距離ｆである前焦点面１５において、プロジェクタユニットが配置される方向の各等分点に輝点が形成される。複数の投射部で形成された輝点位置が均等になるため、立体像の解像度が向上するとともに、複数の投射部で異なる投射方向から投射し、輝点を形成するため立体像が観察される視域を拡大することができる。例えば非特許文献２に記載の方式では、レンズアレイに投射される投射光は平行光ではないため、インテグラル立体像が観察される視域が必ずしも所望の方向や角度に形成されない。これに対して、本実施形態に係る画像表示システム１では、立体像の解像度の向上と立体像が視認される視域の拡大とを両立することができる。
【００５１】
また、本実施形態に係る画像表示システム１において、複数のプロジェクタユニットの光軸方向は、それぞれ複数の要素レンズの光軸方向に平行である。
この構成によれば、各プロジェクタユニットからの要素画像を表す投射光は、各要素レンズの光軸方向に入射する。そのため、レンズアレイ１４から投射光が受光される方向の距離が焦点距離ｆである後焦点面１７において、各プロジェクタユニットからの要素画像の全体が偏らずに結像する。各輝点から放射される各プロジェクタユニットから到来する光線を統合して得られる要素画像の全体が互いに重畳して観察されるので、確実に立体像が視認される。例えば、非特許文献２に記載の方式では、複数のプロジェクタは、レンズアレイの表面に対してそれぞれ異なる角度で傾斜して配置されるので、多方向から投射光が投射される。そのため、レンズアレイから各要素レンズの焦点距離だけ離れた平面に各投射画像の焦点が結像されないことがある。従って、投射される投射光の一部が、対応する要素レンズに隣接する隣接レンズに投射されるクロストークが発生し、不要な立体像が形成されることがある。これに対し、本実施形態に係る画像表示システム１によれば、要素画像間におけるクロストークが回避されるので、不要な立体像の形成を防止することができる。
【００５２】
また、本実施形態に係る画像表示システム１は、画像取得部として、例えば、立体映像生成部１０を備える。立体映像生成部１０は、複数の投射部から入射する投射光が複数の要素レンズを通過して形成される輝点の位置に基づいて、複数の投射部に共通の被写体をそれぞれ異なる視点から観察される画像を要素画像として生成する。
この構成によれば、各視点から観察される共通の被写体を表す要素画像を、形成される輝点を画素として生成することができる。各輝点の位置は、投射部、光制御レンズ、ならびに要素レンズの位置、および、光制御レンズならびに要素レンズの焦点距離に基づいて一意に定まる。例えば、非特許文献２に記載の方式では、輝点の位置が不均一であるため、実際の表示装置の表示特性を予め実測しておき、その特性に応じて要素画像を生成する必要があった。これに対し、本実施形態に係る画像表示システム１では、表示特性を予め実測することなく各投射部に投射させる要素画像を容易に制作することができる。そのため、立体像を表示する画像表示システム１の実用性が向上する。
【００５３】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
【００５４】
例えば、上述した画像表示システム１が要素画像を取得する画像取得部として、立体映像生成部１０と映像記録再生部１１とを備える場合を例にしたが、これには限られない。画像表示システム１において、立体映像生成部１０が省略されてもよい。また、画像取得部は、画像表示システム１とは別個の機器から要素画像を示す要素画像データが入力されるデータ入力インタフェースを含んで構成されてもよい。
【００５５】
また、上述したレンズアレイ１４は、単位図形が正方形である正方格子の各格子点に、それぞれの要素レンズの中心点を配置して形成される場合を例にしたが、これには限られない。要素レンズの中心点は、所定の周期をもって空間的に繰り返される平行移動対称性を有する格子の各格子点に配置されればよい。そのような格子には、例えば、矩形格子、正三角格子、二等辺三角格子などがある。複数のプロジェクタユニットの光学中心は、各要素レンズの焦点に対応する位置を中心点とする単位図形の領域内に配置されればよい。
【００５６】
画像表示システム１を構成する立体映像生成部１０、映像記録再生部１１、プロジェクタアレイ１２、光制御レンズ１３およびレンズアレイ１４は、互いに別体であってもよいし、それらの複数の組毎に一体化されてもよい。例えば、立体映像生成部１０と映像記録再生部１１の組と、複数のプロジェクタユニット１２１〜１２Ｎの組と、光制御レンズ１３とレンズアレイ１４の組が、それぞれ別体であって、各組が一体化されてもよい。
【００５７】
また、上述した画像表示システム１の一部、例えば、立体映像生成部１０および映像記録再生部１１をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この制御機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、立体映像生成部１０および映像記録再生部１１に内蔵されたコンピュータシステムであって、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
また、上述した実施形態における立体映像生成部１０および映像記録再生部１１の一部、または全部をＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の集積回路として実現してもよい。立体映像生成部１０および映像記録再生部１１の各機能ブロックは個別にプロセッサ化してもよいし、一部、または全部を集積してプロセッサ化してもよい。また、集積回路化の手法はＬＳＩに限らず専用回路、または汎用プロセッサで実現してもよい。また、半導体技術の進歩によりＬＳＩに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１…画像表示システム、１０…立体映像生成部、１１…映像記録再生部、１２…プロジェクタアレイ、１３…光制御レンズ、１４…レンズアレイ
【図１】
2018010055.tif 000009
【図２】
2018010055.tif 000010
【図３】
2018010055.tif 000011
【図４】
2018010055.tif 000012
【図５】
2018010055.tif 000013
【図６】
2018010055.tif 000014
【図７】
2018010055.tif 000015
【図８】
2018010055.tif 000016