(57)【要約】【課題】  省スペース且つ低コストで大画面裸眼立体表示を実現可能な立体画像表示装置を提供すること。【解決手段】  立体画像表示装置は、Ｎ個（Ｎは正の整数）の表示モジュール１０から構成される。表示モジュール１０は、フラットパネルディスプレイ２２とレンチキュラレンズ２４から構成され視点群を形成する多眼式立体表示により立体画像を表示する表示部２０と、表示部２０で形成された視点群ＶＧ１を観察者用の視点群ＶＧ２として外部の空間に結像する結像光学系４０とを有する。結像光学系４０は、スクリーンレンズ４４と、表示部２０の表示面をスクリーンレンズ４４に結像する結像レンズ４２とを有する。スクリーンレンズ４４は、結像レンズ４２による結像倍率が１より大きくなる位置に配置される。【選択図】      図２
2015011253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ個（Ｎは正の整数）の表示モジュールから構成される立体画像表示装置であって、
前記表示モジュールは、
フラットパネルディスプレイと、前記フラットパネルディスプレイの前面に配置されたレンチキュラレンズ又はパララックスバリアから構成され、視点群を形成する多眼式立体表示により立体画像を表示する表示部と、
前記表示部で形成された視点群を観察者用の視点群として前記表示モジュールの外部の空間に結像する結像光学系とを有し、
前記結像光学系は、
スクリーンレンズと、前記表示部の表示面を前記スクリーンレンズに結像する結像レンズとを有し、
前記スクリーンレンズは、前記結像レンズによる結像倍率が１より大きくなる位置に配置されたことを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記表示モジュールは、
前記表示部の視点形成位置に配置され繰り返しの視点を除去する開口を更に有することを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記表示モジュールは、
前記スクリーンレンズの直前または直後に光線を垂直方向に拡散させる垂直方向拡散板を更に有することを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記結像レンズは、複数のレンズを組み合わせて構成されることを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
複数の前記表示モジュールを水平方向及び垂直方向の少なくとも一方向に並べて構成されることを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記表示モジュールは、
その内部に音声出力用のスピーカーを更に有することを特徴とする立体画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
壁一面を覆うような百インチを超える表示面をもち、専用メガネを用いずに複数人が同時に観察可能な大画面裸眼立体ディスプレイの実現手法として、多数のプロジェクタで構成されるプロジェクタアレイを用いる方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】河北他、「超多視点裸眼立体映像システムと実証実験」、映像情報メディア学会技術報告、Vol.37,No.24,3DIT2013-31,IDY2013-28(Jun.2013)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のプロジェクタアレイを用いる方法では、大きな設置スペースが必要となり、製作コストが高く、設置に手間がかかり、暗室環境での利用が前提となる等の問題点があった。
【０００５】
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、省スペース且つ低コストに大画面裸眼立体表示を実現する立体画像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明は、Ｎ個（Ｎは正の整数）の表示モジュールから構成される立体画像表示装置であって、
前記表示モジュールは、
フラットパネルディスプレイと、前記フラットパネルディスプレイの前面に配置されたレンチキュラレンズ又はパララックスバリアから構成され、視点群を形成する多眼式立体表示により立体画像を表示する表示部と、
前記表示部で形成された視点群を観察者用の視点群として前記表示モジュールの外部の空間に結像する結像光学系とを有し、
前記結像光学系は、
スクリーンレンズと、前記表示部の表示面を前記スクリーンレンズに結像する結像レンズとを有し、
前記スクリーンレンズは、前記結像レンズによる結像倍率が１より大きくなる位置に配置されたことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、大画面をＮ個の表示モジュールで構成することで、各表示モジュールの画面サイズが小さくなりモジュールの奥行きを小さくできることから、省スペースな大画面裸眼立体表示の実現が可能になる。また、画像発生にフラットパネルディスプレイとレンチキュラレンズ（又はパララックスバリア）を用いるため低コストな実現が可能になる。また、表示部の表示面を結像光学系により拡大結像することで、表示部（フラットパネルディスプレイ）にベゼル部分がある場合であっても、枠なし表示面をもつ表示モジュールを実現できる。
【０００８】
（２）また本発明に係る立体画像表示装置では、
前記表示モジュールは、
前記表示部の視点形成位置に配置され繰り返しの視点を除去する開口を更に有していてもよい。
【０００９】
本発明によれば、表示部からの光線を開口により制限することで、収差の影響を低減することが可能となる。
【００１０】
（３）また本発明に係る立体画像表示装置では、
前記表示モジュールは、
前記スクリーンレンズの直前または直後に光線を垂直方向に拡散させる垂直方向拡散板を更に有していてもよい。
【００１１】
本発明によれば、スクリーン面に垂直方向拡散板を配置することで、垂直方向に視域を拡大することができる。
【００１２】
（４）また本発明に係る立体画像表示装置では、
前記結像レンズは、複数のレンズを組み合わせて構成されていてもよい。
【００１３】
本発明によれば、複数のレンズを組み合わせて結像レンズを構成することで、結像距離を短縮し、収差を抑えることが可能となる。
【００１４】
（５）また本発明に係る立体画像表示装置は、
複数の前記表示モジュールを水平方向及び垂直方向の少なくとも一方向に並べて構成されていてもよい。
【００１５】
本発明によれば、複数の表示モジュールを並べて立体画像表示装置を構成することで、省スペース且つ低コストで大画面裸眼立体表示を実現することが可能となる。
【００１６】
（６）また本発明に係る立体画像表示装置では、
前記表示モジュールは、
その内部に音声出力用のスピーカーを更に有していてもよい。
【００１７】
本発明によれば、複数の表示モジュールで大画面を構成した際に、画面から音声を出すことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１（Ａ）、図１（Ｂ）は、本実施形態の立体画像表示装置の構成の一例を示す斜視図。
【図２】図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、本実施形態の表示モジュールの構成の一例を示す断面模式図。
【図３】結像レンズ及び結像光学系の結像関係について説明するための図。
【図４】本実施形態の立体画像表示装置の構成の一例を示す断面模式図。
【図５】図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、試作した表示モジュールの断面模式図。
【図６】試作した表示モジュールを撮影した写真。
【図７】スクリーンレンズの取り付けについて説明するための図。
【図８】図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）は、４台の表示モジュールで構成される表示システムに人物の立体像を表示し、視域内の異なる水平位置から撮影した写真。
【図９】図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）は、４台の表示モジュールで構成される表示システムに他の立体像を表示し、視域内の異なる水平位置から撮影した写真。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２０】
１．立体画像表示装置の構成
図１（Ａ）、図１（Ｂ）は、本実施形態の立体画像表示装置の構成の一例を示す斜視図である。
【００２１】
立体画像表示装置１は、複数の表示モジュール１０を水平方向及び垂直方向の少なくとも一方向（タイル状）に並べて構成される。このとき、複数の表示モジュール１０のそれぞれの表示面１２はタイル状に配置され、このタイル状に配置された複数の表示面１２が一体となって立体画像表示装置１の表示面（スクリーン）を形成する。
【００２２】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示す例では、表示モジュール１０を水平方向に４個、垂直方向に３個並べて、計１２個の表示モジュール１０によって立体画像表示装置１を構成している。なお、図１（Ａ）に示す例では、立体画像表示装置１の表示面が平面状になるように複数の表示モジュール１０を配置しており、図１（Ｂ）に示す例では、立体画像表示装置１の表示面が円弧状になるように複数の表示モジュール１０を配置している。立体画像表示装置１の表示面が垂直方向に円弧状になるように、また、水平方向と垂直方向に円弧状になるように複数の表示モジュール１０を配置することもできる。
【００２３】
このように、複数の表示モジュール１０を水平方向及び垂直方向の少なくとも一方向に並べて立体画像表示装置１を構成することで、スクリーンの大画面化を容易に実現することができ、また、横長画面、縦長画面、平面画面、円弧状画面等の多様なスクリーン形態を実現することが可能となる。
【００２４】
２．表示モジュールの構成
図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、表示モジュール１０の構成の一例を示す断面模式図である。図２（Ａ）は、表示モジュール１０の水平断面図であり、図２（Ｂ）は、表示モジュール１０の垂直断面図である。表示モジュール１０は、表示部２０、開口３０、結像光学系４０、垂直方向拡散板５０を含む。
【００２５】
表示部２０（フラットパネル型多眼ディスプレイ）は、視点群ＶＧ１を形成する多眼式立体表示により立体画像を表示する。表示部２０は、フラットパネルディスプレイ２２と、フラットパネルディスプレイ２２の前面に配置されたレンチキュラレンズ２４から構成される。レンチキュラレンズとは、シリンドリカルレンズを水平方向に並べたものである。各シリンドリカルレンズにフラットパネルディスプレイ２２の３個以上のピクセルを対応させることで３個以上の視点（視点群ＶＧ１）を発生させる。なお、レンチキュラレンズ２４を斜めに傾けてもよい（斜めレンチキュラレンズ）。このようにすると、視点数の増加による解像度低下を水平方向と垂直方向にバランスよく割り振ることができる。
【００２６】
開口３０は、表示部２０の視点形成位置（視点群ＶＧ１が形成される位置）に配置され、視点群ＶＧ１以外の光を遮光する。開口３０によって水平方向に光線を制限する（図２（Ａ）を参照）ことで、繰り返しの視点（１つの画素からの光線が正面のシリンドリカルレンズに隣接するシリンドリカルレンズに入射することにより発生する視点）を除去することができ、視域の境界で立体画像が大きく変化することを防止できる。また、開口３０によって垂直方向に光線を制限する（図２（Ｂ）を参照）ことで、軸外の光線を減らして収差の影響を低減することができる。なお、レンチキュラレンズ２４を斜めに傾けた場合
（斜めレンチキュラレンズを用いた場合）には、視点群ＶＧ１が斜め方向に形成されるため、これに応じて開口３０も傾ける。
【００２７】
結像光学系４０は、開口３０内に形成された視点群ＶＧ１を、観察者用の視点群ＶＧ２として表示モジュール１０の外部の空間に結像する。結像光学系４０は、結像レンズ４２と、スクリーンレンズ４４から構成される。
【００２８】
結像レンズ４２は、表示部２０の表示面であるレンチキュラレンズ２４をスクリーンレンズ４４に結像する。なお、複数のレンズを組み合わせて結像レンズ４２を構成してもよい。スクリーンレンズ４４は、表示モジュール１０の表示面１２を覆うように取り付けられる。すなわち、スクリーンレンズ４４が表示モジュール１０の表示面１２として機能する。また、スクリーンレンズ４４は、結像レンズ４２による結像倍率が１より大きくなる位置に配置される。結像レンズ４２による結像倍率を１より大きくすることで、フラットパネルディスプレイ２２にベゼル部分２３がある場合でも、枠なし表示面をもつ表示モジュール１０を実現することができる。
【００２９】
図３を用いて、結像レンズ４２の結像関係について説明する。結像レンズ４２の物体距離をｌｏ、結像レンズ４２の像距離をｌｉ、結像レンズ４２の焦点距離をｆｉとすると、結像レンズ４２による結像（スクリーンの結像）は、次式（１）で表される。
【００３０】
【数１】
2015011253.tif 000003
【００３１】
次に、結像光学系４０の結像関係について説明する。表示部２０の視点形成距離をｌｗ、表示モジュール１０の視点形成距離をｌｖ、結像レンズ４２とスクリーンレンズ４４からなる組み合わせレンズを考えて、その物体側の主点と結像レンズ４２の距離をｐ、その像側の主点とスクリーンレンズ４４の距離をｐ’、合成焦点距離をｆとすると、結像光学系４０による結像（視点の結像）は、次式（２）で表される。
【００３２】
【数２】
2015011253.tif 000004
【００３３】
なお、結像光学系４０では、ｌｉ／ｌｏ＞１となるようにすることで、結像レンズ４２による結像倍率を１より大きくしている。
【００３４】
垂直方向拡散板５０は、光線を垂直方向に拡散させる（図２（Ｂ）を参照）。垂直方向拡散板５０を表示面１２に取り付けることで、視域を垂直方向に拡大することができ、特に、開口３０によって垂直方向に光線を制限した場合に有効である。なお、図２に示す例では、スクリーンレンズ４４を結像レンズ４２側に、垂直方向拡散板５０を観察者側に配置しているが、逆に配置することも可能である。
【００３５】
複数の表示モジュール１０をタイル状に並べて構成した立体画像表示装置１によって多眼式立体表示を実現するためには、立体画像表示装置１を構成する全ての表示モジュール１０の視域を一致させる必要がある。
【００３６】
例えば、図４に示すように、立体画像表示装置１の表示面が平面状になるように複数の表示モジュール１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）を配置した場合には、各表示モジュール１０のスクリーンレンズ４４を適宜レンズシフトすることで視域を一致させる。すなわち、結像レンズ４２の中心と視点群ＶＧ２の中心を結ぶ直線がスクリーンレンズ４４と交わる交点がスクリーンレンズ４４の中心になるようにレンズシフトする。図４に示す例では、表示モジュール１０ａのスクリーンレンズ４４のレンズ中心を図中下側にシフトさせ、表示モジュール１０ｃのスクリーンレンズ４４のレンズ中心を図中上側にシフトさせることで、全ての表示モジュール１０の視域を一致させる。なお、スクリーンレンズ４４をレンズシフトすることに代えて、各表示モジュール１０の表示部２０の視点形成位置及び開口３０の位置を適宜移動することで、全ての表示モジュール１０の視域を一致させてもよい。また、図１（Ｂ）に示すように、立体画像表示装置１の表示面が円弧状になるように複数の表示モジュール１０を配置することで、全ての表示モジュール１０の視域を一致させてもよい。また、上記の３つの方法を組み合わせても良い。
【００３７】
本実施形態によれば、大画面を複数の表示モジュールで構成することで、各表示モジュールの画面サイズが小さくなりモジュールの奥行きを小さくできることから、省スペースな大画面裸眼立体表示の実現が可能になる。また、画像発生にフラットパネルディスプレイとレンチキュラレンズを用いるため低コストな実現が可能になる。また、表示部２０の表示面を結像光学系４０により拡大結像することで、ベゼル部分２３がある場合でも、枠なし表示面をもつ表示モジュールを実現できる。
【００３８】
上記の説明では、表示部２０の視点形成にレンチキュラレンズを用いる場合について説明したが、レンチキュラレンズの代わりにパララックスバリアを用いることもできる。
【００３９】
また、表示モジュール１０内部に音声出力用のスピーカーを内蔵することもできる。これにより、複数の表示モジュール１０で大画面を構成した際に、画面から音声を出すことが可能になる。
【００４０】
３．検証結果
本発明の原理を検証するため、表示モジュールの試作機を作製した。図５（Ａ）、図５（Ｂ）に、試作した表示モジュールの光路図を示す。図５（Ａ）は、試作した表示モジュールの水平断面図であり、図５（Ｂ）は、試作した表示モジュールの垂直断面図である。また、図６に、試作した表示モジュールを撮影した写真を示す。なお、図６の写真では、表示モジュールの側面パネルを外した状態で撮影している。
【００４１】
試作した表示モジュールでは、フラットパネルディスプレイ２２として、解像度が３，８４０×２，４００、画面サイズが２２．２インチのフラットパネルディスプレイを使用した。また、レンチキュラレンズ２４として、斜めレンチキュラレンズを用いて、視点数が１４４で立体解像度が３２０×２００の多眼表示を実現した。レンチキュラレンズの傾き角は４．８度とした。
【００４２】
また、開口３０の形状を、レンチキュラレンズ２４の傾きに合わせて左右の辺が傾いた平行四辺形とした。開口３０は、繰り返しの視点除去に加えて垂直方向の光線の限定に用いた。なお、図５に示した例では、開口３０を配置する視点形成位置が結像レンズ４２の内側になるため、視点形成位置が結像レンズ４２で結像される位置に開口３０を配置した。
【００４３】
また、結像レンズ４２として、２枚のフレネルレンズ４２ａ，４２ｂを用いた。２枚のレンズを組み合わせて結像レンズ４２を構成することで、収差を抑え、結像距離を短縮す
ることができる。結像レンズ４２による拡大結像の結果、画面サイズが表示面１２のサイズである２７．３インチに拡大した。
【００４４】
また、スクリーンレンズ４４として、フレネルレンズを用いた。図７に示すように、スクリーンレンズ４４の側面に深さ１ｍｍの段差加工を施して、この段差部分に表示モジュールの側面パネル１４を嵌め込んで固定することで、枠なし表示面を実現した。結像レンズ４２とスクリーンレンズ４４を組み合わせた結像光学系により、観察者用の視点群を、表示面１２から５．１ｍの位置で水平幅２．４ｍの視域内に形成した。視点数は１４４で、視点間隔は１６ｍｍとした。
【００４５】
また、垂直方向拡散板５０として、レンチキュラレンズを用いた。表示部２０のレンチキュラレンズ２４の傾きに合わせて、垂直方向拡散板５０のレンチキュラレンズも傾けて、光の拡散方向を垂直方向から傾けた。
【００４６】
上記の表示モジュールの試作機を４台作製し、４台の表示モジュールを垂直方向に並べて小規模な表示システム（立体画像表示装置）を構築した。表示システム全体の画像サイズは５８９ｍｍ×１，４７２ｍｍ（６２．４インチ）となった。４台の表示モジュールの視域が一致するように、各表示モジュールのスクリーンレンズ４４を適宜レンズシフトした。視点形成位置における視域の水平幅を測定したところ、測定値は２．３ｍであり、設計値とほぼ等しくなった。
【００４７】
図８に、４台の表示モジュールで構成される表示システムに人物の立体像を表示し、視域内の異なる水平位置から撮影した写真を示す。図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）は、それぞれ左側、中央、右側の水平位置から撮影した写真である。他の立体像を表示した例を図９に示す。
【００４８】
試作した４台の表示モジュールで構成される表示システムにより、フラットパネルディスプレイとレンチキュラレンズで構成される表示部を備えた複数の表示モジュールを用いて大画面裸眼立体表示を実現できることを確認した。また、表示モジュールの結像光学系により枠なし表示面を実現できることを確認した。
【００４９】
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【００５０】
１  立体画像表示装置、１０  表示モジュール、１２  表示面、１４  側面パネル、２０
表示部、２２  フラットパネルディスプレイ、２３  ベゼル部分、２４  レンチキュラレンズ、３０  開口、４０  結像光学系、４２  結像レンズ、４４  スクリーンレンズ、５０  垂直方向拡散板、ＶＧ１，ＶＧ２  視点群
【図１】
2015011253.tif 000005
【図２】
2015011253.tif 000006
【図３】
2015011253.tif 000007
【図４】
2015011253.tif 000008
【図５】
2015011253.tif 000009
【図７】
2015011253.tif 000010
【図６】
2015011253.tif 000011
【図８】
2015011253.tif 000012
【図９】
2015011253.tif 000013