(57)【要約】【課題】大画面で高精細な立体画を裸眼で視聴できる三次元画像表示装置及び表示方法を提供すること。【解決手段】二次元画像投影装置アレイ中の各二次元画像投影装置の指向性スクリーンに対する配置高さと二次元画像投影装置と指向性スクリーンとの距離とで決まる角度と、垂直方向拡散板の垂直方向の光拡散特性の角度依存性とで決まる減衰量を補償するように、二次元画像投影装置の投影光量を制御する。これにより、ユーザが視聴する際に見る角度に依存して画像の明るさが変化することのない、立体画像を提供できる。【選択図】図２
2015034906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、
前記オブジェクトからの光線を出射する二次元画像投影装置が複数台からなり、該複数台の二次元画像投影装置を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像投影装置アレイと、
前記複数の二次元画像投影装置の光学系との組み合わせで複数のアフォーカル光学系を構成するレンズを共通化した共有レンズと、
前記共有レンズに近接させて配置され、その近傍に像面を生成する垂直方向拡散板と、を具備し、
前記二次元画像投影装置の前記共有レンズに対する配置高さと前記二次元画像投影装置と前記共有レンズとの距離とで決まる角度と、垂直方向拡散板の垂直方向の光拡散特性の角度依存性とで決まる減衰量を補償するように、前記二次元画像投影装置の投影光量が制御されることを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項２】
三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、
前記オブジェクトからの光線を出射する二次元画像投影装置が複数台からなり、該複数台の二次元画像投影装置を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像投影装置アレイと、
前記複数の二次元画像投影装置の光学系との組み合わせで複数のアフォーカル光学系を構成するレンズを共通化した共有レンズと、
前記共有レンズに近接させて配置され、その近傍に像面を生成する垂直方向拡散板と、を具備し、
前記共有レンズに対して投射光を斜めに投射する位置に配置された前記二次元画像投影装置で、斜めに投射することにより発生する画面の歪みを補償するように、投影する画像が変形されることを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項３】
三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、
前記オブジェクトからの光線を出射する二次元画像投影装置が複数台からなり、該複数台の二次元画像投影装置を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像投影装置アレイと、
前記複数の二次元画像投影装置の光学系との組み合わせで複数のアフォーカル光学系を構成するレンズを共通化した共有レンズと、
前記共有レンズに近接させて配置され、その近傍に像面を生成する垂直方向拡散板と、を具備し、
前記共有レンズに対して投射光を斜めに投射する位置に配置された前記二次元画像投影装置で、斜めに投射することにより発生する画面の明るさの分布を補償するように、投影する画像の画面内の明るさの分布が制御されることを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項４】
三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、
前記オブジェクトからの光線を出射する二次元画像投影装置が複数台からなり、該複数台の二次元画像投影装置を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像投影装置アレイと、
前記複数の二次元画像投影装置の光学系との組み合わせで複数のアフォーカル光学系を構成するレンズを共通化した共有レンズと、
前記共有レンズに近接させて配置され、その近傍に像面を生成する垂直方向拡散板と、を具備し、
所定の幅で製造される垂直方向拡散フィルムを所定の長さで切断し、切断した複数枚の前記垂直方向拡散フィルムを、前記所定の幅の一方の端どうしが互いに接するように貼りあわせて、前記垂直方向拡散板を形成することを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項５】
三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、
前記オブジェクトからの光線を出射する二次元画像投影装置が複数台からなり、該複数台の二次元画像投影装置を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像投影装置アレイと、
前記複数の二次元画像投影装置の光学系との組み合わせで複数のアフォーカル光学系を構成するレンズを共通化した共有レンズと、
前記共有レンズに近接させて配置され、その近傍に像面を生成する垂直方向拡散板と、を具備する三次元画像表示装置において、
前記二次元画像投影装置の前記共有レンズに対する配置高さと前記二次元画像投影装置と前記共有レンズとの距離とで決まる角度と、垂直方向拡散板の垂直方向の光拡散特性の角度依存性とで決まる減衰量を補償するように、前記二次元画像投影装置の投影光量を制御することを特徴とする三次元画像表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元画像表示装置及び三次元画像表示方法に係り、特に複数のプロジェクタから投射される光によって、裸眼で観察できる立体画像を表示する三次元画像表示装置及び三次元画像表示方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光板や液晶シャッターよりなる特殊な眼鏡により、左右の目に視差のある画像を見せることで、両眼視差による立体感を得られる表示装置が実用化されている。
【０００３】
また、実際の物体が発する光を角度単位でサンプリングして得られる光線群を、水平方向に並べた複数の画像発生源により再現して、裸眼で立体画像を観察できる三次元画像表示方法が以前から知られている。この方法では、物体を異なる方向から見た複数の画像を同時に表示しているため、頭の位置を動かすことで見える画像が変化する、いわゆる運動視差を得ることができる。そのため、両眼視差のみの方法に比べて、より自然な立体感を得ることができる。
【０００４】
しかしながら、水平方向に配置できる画像発生源の密度に限界があるために、同時に表示できる画像数に制約があり、そのため不連続な運動視差となって、違和感を無くすことは難しかった。
【０００５】
特許文献１では、複数の画像発生源を水平位置が一致しないようにずらして、水平方向および垂直方向に二次元的に配置し、それぞれが発生する画像を水平方向と垂直方向に表示方向が異なる指向性をもった準平行光とし、さらに垂直方向拡散板によって垂直方向にのみ光を拡散させることで、隣り合う水平方向指向性画像が水平方向に高い密度で並んで観察できるように構成した三次元画像表示方法が開示されている。
【０００６】
このような構成をとることで、同時に表示できる画像数を増加させることができ、違和感の無い自然な立体感を得ることができる。
【０００７】
さらに、特許文献２では、画像発生源として複数のプロジェクタ装置を配置し、各プロジェクタ装置において、発生させた光線を画像中心に対して偏心させて配置したレンズによって偏向させてスクリーン上で結像するように投射する。複数のプロジェクタからの光線がスクリーン上で重畳される。ここで、スクリーンは近接して配置された共用レンズと垂直方向拡散板とで構成する、方法が開示されている。
【０００８】
このような構成をとることで、視聴画面の大きさに対する装置の大きさを小型化できる。同時に、低コスト化できるとともに、コマ収差等による画質劣化を低減できる。
【０００９】
図１は、特許文献２に記載されている三次元画像表示装置１００の概念図である。１０１は、複数のプロジェクタ装置を、それぞれ水平位置が一致しないようにずらして、水平方向、垂直方向に二次元的に配置した、二次元画像投影装置アレイである。それぞれのプロジェクタ装置からの投射光は、前方に設けられた指向性スクリーン１０２上に表示画像を結像させる。図１では、立方体、三角錐、球からなる画像が結像されている。ここで、各プロジェクタ装置は、物体を水平方向の様々な角度から平行投影法により撮影した画像を投影する。視聴は、指向性スクリーンをはさんで、二次元画像投影装置アレイ１０１と逆の位置から指向性スクリーン１０２を見ることで行う。
【００１０】
この指向性スクリーン１０２は、共有レンズと垂直方向拡散板とを含んで形成されており、共有レンズとしてフレネルレンズが、垂直方向拡散板としてレンチキュラーシートあるいはホログラフィックスクリーンが用いられる。共有レンズは、二次元画像投影装置アレイの各プロジェクタ装置の光学系と組み合わせて複数のアフォーカル光学系を構成し、投射画像をユーザの眼で結像させるように光線を収束させるために使用される。垂直方向拡散板は、入射された光線を垂直方向に広角に拡散して透過する。拡散は、拡散板上での画素の大きさ以下の微小構造によって行われる。プロジェクタ間の配置高さの違いによる、入射光線の指向性スクリーンへの入射角度の違いが、垂直方向に広角に拡散されることで解消する。また、垂直方向拡散板は、入射された光線を水平方向に狭角に拡散して透過する。狭角に拡散して透過するとは、入射した平行光線が若干の拡がりをもって出射されることである。水平方向への拡散は、水平位置で隣り合うプロジェクタからの光線間で暗部が発生しない程度に水平方向の重ね合わせを行うために利用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３５７６５２１号公報
【特許文献２】特開２００７−３０９９７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、図１に示した三次元画像表示装置を、多人数が同時に高精細な立体画を視聴できるように大型化する場合がある。例えば、横４ｍ、縦２ｍ超の大型の指向性スクリーンを用いる。また、プロジェクタ装置としては、高精細かつ大光量を投射できるように大型のプロジェクタ装置を用い、さらに隣り合う水平方向指向性画像が水平方向に高い密度で並ぶように、２次元に配置するプロジェクタ装置の数も多大なものとなる。
【００１３】
このような大型化された三次元画像表示装置では、ユーザが画面を見る角度によって画面の明るさが変化したり、ユーザが画面を見る角度によって表示されている画像が歪んで見えたり、あるいは、画面に横方向の分割線が見えたりといった、画質劣化が発生することがあった。
【００１４】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、裸眼立体視できる三次元画像表示装置を大画面、高精細画化した場合の画質の改善を行うことができる、三次元画像表示装置及び三次元画像表示方法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】
【００１５】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の１）〜５）に記載の手段よりなる。
すなわち、
１）三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、前記オブジェクトからの光線を出射する二次元画像投影装置が複数台からなり、該複数台の二次元画像投影装置を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像投影装置アレイと、前記複数の二次元画像投影装置の光学系との組み合わせで複数のアフォーカル光学系を構成するレンズを共通化した共有レンズと、前記共有レンズに近接させて配置され、その近傍に像面を生成する垂直方向拡散板と、を具備し、前記二次元画像投影装置の前記共有レンズに対する配置高さと前記二次元画像投影装置と前記共有レンズとの距離とで決まる角度と、垂直方向拡散板の垂直方向の光拡散特性の角度依存性とで決まる減衰量を補償するように、前記二次元画像投影装置の投影光量が制御されることを特徴とする三次元画像表示装置。
２）三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、前記オブジェクトからの光線を出射する二次元画像投影装置が複数台からなり、該複数台の二次元画像投影装置を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像投影装置アレイと、前記複数の二次元画像投影装置の光学系との組み合わせで複数のアフォーカル光学系を構成するレンズを共通化した共有レンズと、前記共有レンズに近接させて配置され、その近傍に像面を生成する垂直方向拡散板と、を具備し、前記共有レンズに対して投射光を斜めに投射する位置に配置された前記二次元画像投影装置で、斜めに投射することにより発生する画面の歪みを補償するように、投影する画像が変形されることを特徴とする三次元画像表示装置。
３）三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、前記オブジェクトからの光線を出射する二次元画像投影装置が複数台からなり、該複数台の二次元画像投影装置を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像投影装置アレイと、前記複数の二次元画像投影装置の光学系との組み合わせで複数のアフォーカル光学系を構成するレンズを共通化した共有レンズと、前記共有レンズに近接させて配置され、その近傍に像面を生成する垂直方向拡散板と、を具備し、前記共有レンズに対して投射光を斜めに投射する位置に配置された前記二次元画像投影装置で、斜めに投射することにより発生する画面の明るさの分布を補償するように、投影する画像の画面内の明るさの分布が制御されることを特徴とする三次元画像表示装置。
４）三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、前記オブジェクトからの光線を出射する二次元画像投影装置が複数台からなり、該複数台の二次元画像投影装置を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像投影装置アレイと、前記複数の二次元画像投影装置の光学系との組み合わせで複数のアフォーカル光学系を構成するレンズを共通化した共有レンズと、前記共有レンズに近接させて配置され、その近傍に像面を生成する垂直方向拡散板と、を具備し、所定の幅で製造される垂直方向拡散フィルムを所定の長さで切断し、切断した複数枚の前記垂直方向拡散フィルムを、前記所定の幅の一方の端どうしが互いに接するように貼りあわせて、前記垂直方向拡散板を形成することを特徴とする三次元画像表示装置。
５）三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、前記オブジェクトからの光線を出射する二次元画像投影装置が複数台からなり、該複数台の二次元画像投影装置を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像投影装置アレイと、前記複数の二次元画像投影装置の光学系との組み合わせで複数のアフォーカル光学系を構成するレンズを共通化した共有レンズと、前記共有レンズに近接させて配置され、その近傍に像面を生成する垂直方向拡散板と、を具備する三次元画像表示装置において、前記二次元画像投影装置の前記共有レンズに対する配置高さと前記二次元画像投影装置と前記共有レンズとの距離とで決まる角度と、垂直方向拡散板の垂直方向の光拡散特性の角度依存性とで決まる減衰量を補償するように、前記二次元画像投影装置の投影光量を制御することを特徴とする三次元画像表示方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、裸眼立体視できる三次元画像表示装置を大画面、高精細画化した場合の画質の改善を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の三次元画像表示装置の概念図である。
【図２】本発明の三次元画像表示装置を横方向から見た図である。
【図３】指向性スクリーンと透過する光線を示した光線図である。
【図４】プロジェクタ装置の内部構成図である。
【図５】本発明の三次元画像表示装置を上方向から見た図である。
【図６】プロジェクタ装置が投射し、指向性スクリーンに結像した画像のイメージ図である。
【図７】プロジェクタ装置が投射する画像形状のイメージ図である。
【図８】左端のプロジェクタ装置が投射する光線のイメージ図である。
【図９】プロジェクタ装置が投射する画像の明るさのイメージ図である。
【図１０】プロジェクタ装置の内部構成図である。
【図１１】指向性スクリーンの構造を示した図である。
【図１２】ホログラフィックフィルムを示した図である。
【図１３】従来の指向性スクリーンと表示画像を示した図である。
【図１４】本発明の指向性スクリーンと表示画像を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１９】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の三次元画像表示装置の概念図である。本実施の形態は、従来例である特許文献２の方法、装置を改良したものである。従来例と同じ構成、動作については適宜、説明を省略する。１０１は、複数のプロジェクタ装置を、それぞれ水平位置が一致しないようにずらして、水平方向、垂直方向に二次元的に配置した、二次元画像投影装置アレイである。それぞれのプロジェクタ装置からの投射光は、前方に設けられた指向性スクリーン１０２上に表示画像を結像させる。指向性スクリーン１０２は、共有レンズと垂直方向拡散板とを含んで形成されている。共有レンズは、二次元画像投影装置アレイの各プロジェクタ装置の光学系と組み合わせて複数のアフォーカル光学系を構成し、投射画像をユーザの眼で結像させるように光線を収束させる。垂直方向拡散板は、入射された光線を垂直方向に広角に拡散し、水平方向に狭角に拡散して透過する。
【００２０】
図２は、図１の三次元画像表示装置を横方向から見た図である。図２には、二次元的に配置した複数のプロジェクタ装置からなる、二次元画像投影装置アレイ１０１の一部を示している。１０１−３は、垂直方向で最も上部に配置されたプロジェクタ装置である。１０１−１は、垂直方向で中央部に配置されたプロジェクタ装置である。１０１−２は、垂直方向で最も下部に配置されたプロジェクタ装置である。１０２は、指向性スクリーンであり、プロジェクタ装置から投射された光線１０４−1，１０４−２，１０４−３，１０５−１，１０５−２，１０５−３は、指向性スクリーン１０２を透過して、ユーザ１０３へと投射される。二次元的に配置した複数のプロジェクタ装置と指向性スクリーン間の距離をＬp、指向性スクリーンとユーザ間の距離をＬwとする。
【００２１】
図２に示すとおり、ユーザ１０３の眼の高さと同じ高さにあるプロジェクタ装置１０１−１の投射光線１０５−２は、指向性スクリーンにほぼ垂直に入射する。入射した光線は垂直方向拡散板で垂直方向に拡散されて透過し、さらに共用レンズで収束されて、ユーザの場所で結像する。一方、プロジェクタ装置１０１−１から高さＨだけ下に配置されたプロジェクタ１０１−２からの投射光線１０４−２は、入射角θb で指向性スクリーンに入射する。入射した光線は、同様に垂直方向拡散板で垂直方向に拡散されて透過し、さらに共用レンズで収束されて、観察者の場所で結像する。
【００２２】
図３は、指向性スクリーン１０２と透過する光線を示したものである。指向性スクリーン１０２は、垂直方向拡散板１１０と共有レンズであるフレネルレンズ１１１とを含んで構成される。１０２は、指向性スクリーンの断面を示したものである。実際には垂直方向拡散板１１０、フレネルレンズ１１１ともに薄いシートであり、図３に示すよりも薄い。垂直方向拡散板１１０は、入射光線を垂直方向に拡散させて透過する。この拡散透過光は、入射角と等しい角度の出射光軸を中心とし、光軸からの角度に応じて強度が減衰する、ガウス分布又はそれに近い強度分布となる。これは、垂直方向拡散板の指向性によるものである。図３のベクトル１３０，１３１，１３２と楕円１２０は、この強度分布を示している。出射光軸のベクトル１３０の強度が最も大きく、そこからの角度によって、ベクトル１３１、ベクトル１３２と強度が小さくなる。
【００２３】
プロジェクタ装置１０１−２から、指向性スクリーン１０２中央部に入射角θbで入射した光線１０４−２は、同じ角度の出射角θbで透過するとともに、垂直方向に拡散されて透過出力される。なお、指向性スクリーン１０２中央部では、フレネルレンズ１１１による屈折は考慮しなくてもよい。出射角θbを中心としてガウス分布又はそれに近い分布の強度の拡散光が透過出力される。ベクトル１３０は、出射角θbで出力される光線の角度と強度を示す。ベクトル１３１は、拡散されてユーザの眼に向かう光線の角度と強度を示す。
【００２４】
ここで、出射光の出射光軸からの角度に対する強度分布を（１）式のガウス分布で近似する。
【数１】
2015034906.tif 000003
（１）式の分散σ２は、垂直方向拡散板の種別によって異なるが、ここではσ２＝ ２０°とする。また、図２のＨ ＝ ７６０ｍｍ、Ｌｐ＝ ４０００ｍｍとすると、入射角θb は、（２）式から
【数２】
2015034906.tif 000004
θb ＝ １０．７５°である。よって、（１）式から、図３のベクトル１３１の強度は、ベクトル１３０の強度に対して、ｆ(θb) ＝ ０．８７倍となる。
【００２５】
従来の三次元画像表示装置では、２次元に配置された各プロジェクタ装置の投射光量を、すべて同じとしていた。その場合、上記のように、ユーザ１０３の眼の高さと同じ高さにあるプロジェクタ装置１０１−１からの投射光に比べ、２次元配置の上部または下部に配置されたプロジェクタ装置１０１−２、１０１−３からの投射光は、０．８７倍の強度でユーザの眼に入射する。
【００２６】
２次元に配置された各プロジェクタ装置からの光線は、同じ強度でユーザの眼に届く必要がある。各プロジェクタ装置は、水平方向に関しては物体を様々な角度から平行投影法により撮影した画像を投影しているので、その強度が異なると、ユーザが見る角度によって明るさが異なるものとなってしまう。その結果、画質の劣化が生じていた。
【００２７】
本実施の形態では、上記の強度分布を考慮して、各プロジェクタ装置の配置高さに応じて投射光量を変化させる。例えば、上記の数値例の場合、プロジェクタ装置１０１−２の投射光量は、プロジェクタ装置１０１−１の投射光量の、１／０．８７ ＝ １．１５倍とする。また、一般的には、垂直方向拡散板の垂直方向の拡散特性ｆ(θ)、プロジェクタ装置と拡散スクリーン間の距離Ｌｐ、プロジェクタ装置の配置高さＨとで、式（３）
【数３】
2015034906.tif 000005
によって、投射光量を変化させる。なお、ｆ(０)は、出射光軸上の光強度である。
【００２８】
図４は、投射光量の調整を行うプロジェクタ装置２００の内部構成を示したものである。２０９は、ランプ光源と照明光学系と反射型液晶表示素子と偏光ビームスプリッタとを含んで構成される光学エンジンである。２１０は、投射レンズや絞りからなり、レンズシフト機能を有する投射レンズユニットである。プロジェクタ装置２００は、図示しない複数の画像入力端子を備えており、各画像入力端子より、ビデオ再生装置やパーソナルコンピューター等の外部機器から画像信号（画像情報ともいう）が入力される。プロジェクタ装置２００に入力した信号は、画像信号入力部２０１に入力する。画像信号入力部２０１は、入力信号の選択を行い、その結果の信号を画像信号処理部２０２に出力する。画像信号処理部２０２は、画像信号入力部２０１から入力される画像情報を、反射型液晶表示素子の各画素の階調を表す画像情報に変換する。各画素の階調を表す画像情報とは、対応する画素の光反射率を定めるものであり、この画素の階調値によって、各画素を反射し射出する光の強弱（階調）が規定される。  
【００２９】
液晶駆動部２０５は、画像情報処理部２０２から出力された画像情報を反射型液晶表示素子の駆動信号に変換して出力する。光源制御部２０８は、ランプ光源の制御を行う。操作受付部２０６はユーザの操作を受け付けて制御部２０７に伝達する。制御部２０７は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）や、制御プログラムを格納している不揮発性メモリ、各種データ等の一時記憶に用いられるＲＡＭ（Random Access Memory）等からなり、制御プログラムに従って動作することによりプロジェクタ装置２００の動作を統括制御する。
【００３０】
投射光量は、式（３）に基づいて調整される。制御部２０７は、式（３）を演算するプログラムを制御プログラムの一部として内蔵する。ユーザは、操作受付部２０６に対して、例えばプロジェクタ装置１０１−２と指向性スクリーン間の距離Ｌｐとプロジェクタの配置高さＨを入力する。また、垂直方向拡散板の垂直方向の拡散特性ｆ(θ)として、代表的な複数種類の垂直方向拡散板の特性が制御プログラムにプリセットされており、ユーザはそのなかから使用する垂直方向拡散板を選択する。
【００３１】
制御部２０７は、ユーザが入力したＬｐ、Ｈ、垂直方向拡散板の選択の値を用いて式（３）によって投射すべき光量を演算する。さらに、制御部２０７は、演算結果に基づいて光源制御部２０８を制御して、ランプ光源の発光量を調整する。なお、ランプ光源の発光量を調整するのではなく、投射レンズユニット２１０内の絞りを調整して、投射光量を調整してもよい。あるいは、画像信号処理部２０２を制御して、画素の階調値を調整してもよい。あるいは、プロジェクタ装置の外部でプロジェクタ装置の配置高さに応じて画素の階調値を調整し、調整後の画像信号をそのプロジェクタ装置に入力するようにしてもよい。画素の階調値を調整することで、投射光量を調整する。
【００３２】
なお、Ｌｐ、Ｈ等を用いた演算によって求めた量を基に、発光量や絞り量あるいは画素の階調値を調整するのではなく、ユーザが目で見て投射光量を調整できるように調整ボリューム等を設けてもよい。あるいは、これらを併用できるようにしてもよい。
【００３３】
以上のように、プロジェクタ装置の配置高さＨによって投射光量を変化させることで、各プロジェクタ装置からの投射画像がユーザの眼に入射する際の光強度を揃えることができる。よって、ユーザが見る角度によって明るさが異なることがなくなり、画質劣化の発生を抑止することができる。
【００３４】
なお、式（３）の計算では、垂直方向拡散板の垂直方向の拡散特性が入射角に依存しないものとしたが、実際には入射角が大きくなるほど透過出力光の強度は小さくなる。この入射角依存特性を式（３）の分母に乗ずるようにしてもよい。
なお、上記では、プロジェクタ装置からの光線が、垂直方向拡散板、共用レンズの順で通過するものとしたが、垂直方向拡散板と共用レンズの配置は上記の例と逆であってもよい。
なお、上記では、反射液晶表示素子を用いた光学エンジンを用いているが、透過型液晶表示素子やＤＭＤ（Digital Mirror Device）素子を用いた光学エンジンを用いるようにしてもよい。
【００３５】
＜実施の形態２＞
次に実施の形態２について説明する。本実施の形態も実施の形態１と同様に従来例である特許文献２の方法、装置を改良したものである。その概念図は図１で表される。図５は、図１の三次元画像表示装置を上方向から見た図である。図５には、二次元的に配置した複数のプロジェクタ装置からなる二次元画像投影装置アレイ１０１の一部を示している。１０１−６は、水平方向で最も右部に配置されたプロジェクタ装置である。１０１−７は、１０１−６よりも内側に配置されたプロジェクタ装置である。１０１−４は、水平方向で中央部に配置されたプロジェクタ装置である。１０１−５は、水平方向で最も左部に配置されたプロジェクタ装置である。１０２は、指向性スクリーンである。プロジェクタ装置から投射された光線１０６−１，１０６−２，１０６−３，１０７−１，１０７−２，１０７−３は、指向性スクリーン１０２を透過して、ユーザ１０３へと投射される。二次元的に配置した複数のプロジェクタ装置と指向性スクリーン間の距離をＬp、指向性スクリーンとユーザ間の距離をＬwとする。
【００３６】
特許文献２では、各プロジェクタで発生させた光線を、画像中心に対して偏心させて配置したレンズによって偏向させて指向性スクリーン上で結像するように投射している。特許文献２では、このようなレンズの偏心を公知のレンズシフト機構を行うものとしている。レンズシフトによれば、投射光を偏向させて、投射画像を歪ませることなく指向性スクリーン上に結像させることができる。
【００３７】
しかしながら、レンズシフトによる偏向角度には制限がある。図５の三次元画像表示装置では、プロジェクタ装置１０１−４は、指向性スクリーンの正面に配置されているので投射光の偏向は行わない。プロジェクタ装置１０１−７は、正面からは小さな角度だけずれた位置に配置されているが、レンズシフトによる偏向で対応可能な角度範囲であるため、レンズシフトで投射光を偏向している。一方、最も右に配置されたプロジェクタ装置１０１−６及び最も左に配置されたプロジェクタ装置１０１−５については、正面から大きな角度だけずれた位置に配置されているため、レンズシフトによる偏向では対応できない。そのため、プロジェクタ本体を指向性スクリーン１０２側に傾けることで対応する。
【００３８】
従来の方法でプロジェクタ装置本体を傾けて指向性スクリーン１０２に投射した場合、指向性スクリーン１０２に対して斜めに投射されることになるので、それによる画像の歪み、画面内の位置による明るさの傾斜が発生する。図６は、プロジェクタ装置１０１−５が投射し、指向性スクリーンと同一平面に結像した画像のイメージ３００を示した図である。図６の３０１は、プロジェクタ装置１０１−５が投射し、指向性スクリーンと同一平面に結像した画像全域を示す。３０２は指向性スクリーンを示す部分である。すなわち、指向性スクリーン１０２に結像する画像は、スクリーン右側にいくほど拡大された歪んだ画像となり、また画像の一部はスクリーン内に収まらず表示されない。さらに、スクリーン右側にいくほど単位面積あたりの光量が減少するため暗いものとなる。その結果、ユーザ１０３が視聴する立体画像は見る角度によって歪んだものとなり、かつ明るさが異なるものとなる。
【００３９】
本実施の形態では、レンズシフトで対応できない位置に配置されたプロジェクタ装置が、従来例とは異なる、以下の動作を行う。なお、レンズシフトで対応できる位置に配置されたプロジェクタ装置の動作は従来例と同様である。
【００４０】
図７は、レンズシフトで対応できない位置に配置されたプロジェクタ装置が投射する画像のイメージ３０３を示したものである。図７は、図５のプロジェクタ装置１０１−５が投射する画像である。３０４は、投射される全投影範囲を示し、３０５は、投射対象の画像の範囲を示す。投射対象の画像とは、プロジェクタ装置に入力される画像信号によるものであって、ユーザに表示すべき画像である。ユーザが観察する際には長方形の画像として観察されるが、投射時には図のような台形の画像となる。一方、図５のプロジェクタ装置１０１−７等、レンズシフトで対応できる位置に配置されたプロジェクタ装置が投影する画像では、投射対象画像は全投影範囲にほぼ一致する。
【００４１】
図７に示すように、投射対象の画像の左端の高さはＹＬ、右端の高さはＹＲである。画像の幅をＲＦとしたとき、右端からＲＳの水平位置では、画像の高さは式（４）の高さとなる。
【数４】
2015034906.tif 000006
【００４２】
ここで、ＹＬに対するＹＲの大きさは、以下のように決定する。図８は図５の一部を抜粋したものである。プロジェクタ装置１０１−５は、指向性スクリーン１０２の画面中央からのびる法線上の位置から、水平方向にＤだけ離れた場所に、スクリーン方向に向けられて配置されている。この法線と平行にプロジェクタ装置１０１−５の位置Ｐａからスクリーンに伸ばした直線とスクリーンを含む平面との交点をＰｂとする。ＰａからＰｂまでの距離はＬｐである。スクリーンの全幅はＷｓであり、その一方の境界線上の点をＰｃ、他方の境界線上の点をＰｄとする。なお、Ｐａ〜Ｐｄは同一平面上の点とする。ＰｃからＰｂまでの距離をＧ１、ＰｄからＰｂまでの距離をＧ２とする。Ｇ１、Ｇ２は、式（５），（６）で表される。
【数５】
2015034906.tif 000007
【数６】
2015034906.tif 000008
【００４３】
この時、ＰａからＰｃまでの光路長Ｌａｃと、ＰａからＰｄまでの光路長Ｌａｄとは、式（７）、（８）であり、
【数７】
2015034906.tif 000009
【数８】
2015034906.tif 000010
これらの比を用いた（９）式を変形して
【数９】
2015034906.tif 000011
（１０）式によってＹＲの大きさを決定する。
【数１０】
2015034906.tif 000012
２次元に配置された各プロジェクタ装置で、Ｌｐ、Ｗｓ、ＹＬは共通である。よって、水平方向の配置距離Ｄに応じて、ＹＲの縮小比が決定される。
【００４４】
また、図９は、本実施の形態において、レンズシフトで対応できない位置に配置されたプロジェクタ装置が投射する画像の明るさのイメージ３０６を示したものである。図９は、図５のプロジェクタ装置１０１−５が投射する画像である。３０７は、投射される全投影範囲を示す。３０８は、投射対象の画像の範囲を示す。図は、プロジェクタに入力される画像信号が、画面全体が均一の灰色である場合に、投射される画像のイメージを示している。３０８が左側から右側へと灰色から白色となっているのは、右側ほど相対的に輝度の高い画像としていることを示している。
【００４５】
左端の輝度をＰＬ、右端の輝度をＰＲとし、画像の幅をＲＦとしたとき、右端からＲＳの水平位置では、（１１）式の輝度とする。
【数１１】
2015034906.tif 000013
ここで、位置の二乗の関数とするのは、投射光が光源からの距離の二乗で減衰することから、それを補償するためである。
【００４６】
右端の輝度ＰＬに対して、左端の輝度ＰＲは、ＰａからＰｃまでの光路長Ｌａｃと、ＰａからＰｄまでの光路長Ｌａｄとの比を用いた（１２）式を変形して
【数１２】
2015034906.tif 000014
（１３）式により決定する。
【数１３】
2015034906.tif 000015
ここで、ＬａｃとＬａｄとの比の二乗の関数とするのは、投射光の単位面積あたりの明るさが光源からの距離の二乗で減衰することから、それを補償するためである。２次元に配置された各プロジェクタ装置で、Ｌｐ、Ｗｓ、ＰＬは共通である。よって、水平方向の配置距離Ｈに応じて、輝度ＰＲの増大比を変える。
【００４７】
以上では、図５の、指向性スクリーンに向かって左側に位置するプロジェクタ装置１０１−５の場合の投射光、投射画像の歪補正、明るさ補正について説明した。指向性スクリーンに向かって右側に位置するプロジェクタ装置の場合の投射光、投射画像の歪補正、明るさ補正については、右と左を逆にすることで同様に行うことができる。また、２次元配置されたプロジェクタ装置のうち、上部に配置されて、対応指向性スクリーンに対してレンズシフトで対応できない場合は、上述の説明の右を下、左を上と考えることで、同様に補正を行うことができる。下部に配置されて、対応指向性スクリーンに対してレンズシフトで対応できない場合は、上述の説明の右を上、左を下と考えることで、同様に補正を行うことができる。
【００４８】
図１０は、以上の投射画像の歪補正、明るさ補正を行うプロジェクタ装置の内部構成を示したものである。実施の形態１の図４に、歪補正部２０３と画面内輝度補正部２０４とを加えた構成である。図４と同じ構成部分については説明を省略し、異なる構成部分を説明する。
【００４９】
歪補正部２０３は、画像信号処理部２０２から入力される画像情報に対して（４）式、（１０）式に基づく画像変形を行う。歪補正部２０３は、内部に画像メモリと演算器を有しており、この画像メモリと演算器を用いてアフィン変換により画像を変形する。ここで、（４）式のＲＦ、ＲＳは、反射型液晶表示素子で画面を構成する水平または垂直の画素数に換算する。歪補正部２０３は、処理結果の画像情報を画面内輝度補正部２０４に出力する。画面内輝度補正部２０４は、入力される画像情報に対して（１１）式、（１３）式に基づいて各画素の階調値を表す画像情報の階調値を変化させる。ここで、（１１）式のＲＦ、ＲＳは反射型液晶表示素子で画面を構成する水平または垂直の画素数に換算する。画面内輝度補正部２０４は、階調値を変化させた画像信号を液晶駆動部２０５に出力する。
【００５０】
歪補正部２０３による画像変形は、（４）式、（１０）式に基づいて行われる。制御部２０７は、これらの式を演算するプログラムを制御プログラムの一部として内蔵する。同様に、画面内輝度補正部２０４による画素階調の制御は、（１１）式、（１３）式に基づいて行われる。制御部２０７は、これらの式を演算するプログラムを制御プログラムの一部として内蔵する。ユーザは、操作受付部２０６に、プロジェクタ装置から指向性スクリーンまでの距離Ｌｐと指向性スクリーンの幅Ｗｓあるいは高さ、２次元に配置したプロジェクタの中央位置からの水平距離Ｄあるいは垂直距離を入力する。また、歪補正部２０３による画像変形を行うか否か、画面内輝度補正部２０４による画素階調値の制御を行うか否かを指示する。
【００５１】
なお、以上のようにＬｐ、Ｗｓ等を用いた演算によって求めた量を基に、画像変形量や画面内輝度の調整をするのではなく、ユーザが目で見て調整できるように調整ボリューム等を設けてもよい。あるいは、これらを併用できるようにしてもよい。
【００５２】
以上のように、本実施の形態によれば、レンズシフトで対応できない位置に配置されたプロジェクタ装置が投射し指向性スクリーンに結像する画像の形状の歪を逆特性により補償し、明るさの片寄を逆特性により補償することで、指向性スクリーンに投射された画像の形状を歪みのないものとし、明るさの片寄をないものとできる。その結果、ユーザが立体画像を視聴したときに、見る角度によって歪んだものとなったり、明るさが変わったりすることをなくすことができる。
【００５３】
なお、以上では、レンズシフトで対応できない位置に配置されたプロジェクタ装置においては、レンズシフト機能を全く用いないで動作させるものとしたが、レンズシフト機能を併用するようにしてもよい。その場合、距離Ｄから、指向性スクリーン１０２の画面中央からのびる法線上の位置からレンズシフトで対応できるプロジェクタ装置までの距離を差し引いて、修正後の距離Ｄとする。併用することで、距離Ｄが実質的に短くなり、逆特性による補償の量を減らすことができる。
【００５４】
＜実施の形態３＞
次に実施の形態３について説明する。本実施の形態も実施の形態１と同様に従来例である特許文献２の方法、装置を改良したものである。その概念図は図１で表される。本実施の形態は、指向性スクリーン１０２の改良に関するものである。
【００５５】
図１１は、指向性スクリーン４００の構造を示したものである。図１１（Ａ）は、指向性スクリーンを正面方向から見た模式図であり、図１１（Ｂ）はその断面図である。共有レンズとしてのフレネルレンズ４０１と、垂直方向拡散板としてホログラフィックフィルム４０３と基板であるアクリル板４０２を貼りあわせて構成したものを含んで構成されている。図１１（Ａ）では、３枚のホログラフィックフィルムを貼りあわせてスクリーンのサイズとしている。
【００５６】
ホログラフィックフィルム４０３は、表面にミクロンオーダーの凹凸が形成されている。凹凸のパターンによって、入射光を拡散させて透過する。凹凸のパターンは、垂直方向には広角に、水平方向には狭角に拡散して透過するように形成されている。
【００５７】
本実施の形態では、指向性スクリーン４００は横４ｍ、縦２ｍ超の大型スクリーンである。ホログラフィックフィルムは、その製造上の理由からフィルムの幅に制約がある。現在、実用的に製造できるのは０．５ｍ幅未満のものまでである。図１２（Ａ）は、製造時のホログラフィックフィルムを示したもので、ロール状に巻かれた状態で保管される。ここから、４ｍの長さ分を切り出して、切り出した５枚のフィルムを貼りあわせて指向性スクリーンを構成する。なお、以下では切り出した状態のフィルムをホログラフィックシートと呼ぶ。
【００５８】
ところで、図１２（Ａ）のホログラフィックフィルムは、ドラム金型の凹凸パターンをフィルムに転写して製造する。ドラム金型自体、また転写の状況は、フィルム全面で均一ではなく、フィルム内の場所によって緩やかに変化する。図１２（Ｂ）は、この様子を示したものである。凹凸パターンがフィルム内の場所によって異なることにより、入射光に対する透過拡散光の特性が不均一となっている。フィルム上部を透過する入射光１の透過拡散光は水平方向の拡散角が大きく、フィルム下部を透過する入射光２の透過拡散光は水平方向の拡散角が小さい。楕円形５０１，５０２，５０３は、透過拡散光の拡散の程度を示したものである。垂直方向に長い楕円となっているのは、垂直方向に広角に拡散していることを示す。水平方向に短いのは拡散が狭角であることを示す。５０３の水平方向の幅が５０１の幅に比べて小さいのは、フィルム下部ほど、水平方向の拡散角が小さいことを示す。水平方向拡散角が小さいと、ユーザが指向性スクリーンを視聴する際に、見る角度によって画像の明るさが暗くなる。なお、この変化は、シートを一枚で使用する場合には目立たない程度に管理されている。
【００５９】
図１３（Ａ）は、従来装置の指向性スクリーン６００を表したものである。６０１，６０２，６０３，６０４，６０５は、それぞれ、ロールから切り出したホログラフィックシートである。切り出した５枚のホログラフィックシートを、製造時のフィルムの上下関係が５枚全てで揃うようにして貼りあわせている。言い換えると、所定の幅で製造されるホログラフィックフィルムの、幅の一方の端をフィルムの上端とみなし、他方の端を下端とみなしたときに、どのシートも上端がスクリーンの上方に位置するように貼りあわせている。図１３（Ｂ）は、この指向性スクリーンを用いて画像を表示させたものをユーザが見たときの様子を模式的に示した図である。指向性スクリーン全面に均一の明るさの灰色の平面画像６１０を表示している。このとき、単一のホログラフィックシートの水平拡散特性がシート上部から下部にかけて変化している。その結果、画像の明るさも変化している。単一のホログラフィックシートの部分だけを見る場合はほとんど気にならない。しかし、２枚のシートの貼りあわせ境界部では水平拡散特性が不連続に変化している。そのため、画像の明るさが不連続に変化し、その境界線が見えてしまい、主観画質が劣化する。
【００６０】
図１４（Ａ）は、本実施の形態の指向性スクリーンを表したものである。７０１，７０２，７０３，７０４，７０５は、それぞれ、ロールから切り出したホログラフィックシートである。切り出した５枚のシートを、製造時のフィルムの上下関係が、上下に隣り合うシートどうしでは逆になるように貼りあわせる。言い換えると、所定の幅で製造されるホログラフィックフィルムの、幅の一方の端をフィルムの上端とみなし、他方の端を下端とみなしたときに、上下に隣り合うシートどうしでは、上端どうしまたは下端どうしが接するように貼りあわせている。また、ロールから引き出してカットした一枚目のシートに隣り合わせる二枚目のシートは、同じロールの一枚目のシートに近い場所からカットしたシートとする。一枚目のシートと二枚目のシートがロールの連続した場所であれば最適である。三枚目と二枚目のシートの関係、四枚目と五枚目のシートの関係も同様にする。図１４（Ｂ）は、この指向性スクリーンを用いて画像を表示させたものをユーザが見たときの様子を模式的に示した図である。指向性スクリーン全面に灰色の平面画像７１０を表示している。本実施の形態の場合、２枚のシートの貼りあわせ境界の上側のシートと下側のシートとで、製造時のフィルムの上部どうし又は下部どうしが隣接している。そのため、シート境界の上下で水平拡散特性が連続している。そのため、明るさも連続して変化しており、境界線が見えることはない。さらに、上下に隣接するシートは同一のロールの近い場所から切り出したシートである。よって、製造時の成形条件や経時変化の影響を最小に抑えることができる。従って、指向性スクリーン全面に亘って拡散特性のばらつきが小さくなり、表示される画像の明るさが全面に亘って変化の少ないものとなる。
【００６１】
なお、垂直方向拡散フィルム及び垂直方向拡散シートとして、レンチキュラーフィルムやレンチキュラーシートを用いてもよい。
【００６２】
以上のように、本実施の形態では、複数枚の垂直方向拡散シートを貼りあわせて大画面のスクリーンを構成する場合に、垂直方向拡散シートの貼りあわせ境界が目立つことなく、またスクリーン全面について明るさの変化を最小限とした、裸眼立体視のできる三次元画像表示装置を提供できるという効果がある。
【符号の説明】
【００６３】
１００  三次元画像表示装置
１０１  二次元画像表示装置アレイ
１０１−１，１０１−２，１０１−３，１０１−４，１０１−５，１０１−６，１０１−７  二次元画像表示装置
１０２  指向性スクリーン
１０３  ユーザ
１０４−１，１０４−２，１０４−３，１０５−１，１０５−２，１０５−３，１０６−１，１０６−２，１０６−３，１０７−１，１０７−２，１０７−３  光線
１１０  垂直方向拡散板
１１１  共有レンズ
１２０  拡散透過光の強度分布
１３０，１３１，１３２  拡散透過光を示すベクトル
２００  プロジェクタ装置
２０１  画像信号入力部
２０２  画像信号処理部
２０３  歪補正部
２０４  画面内輝度補正部
２０５  液晶駆動部
２０６  操作受付部
２０７  制御部
２０８  光源制御部
２０９  光学エンジン
２１０  投射レンズユニット
３０１  プロジェクタ装置が投射し、指向性スクリーンと同一平面に結像した画像全域
３０２  指向性スクリーン
３０３，３０８  プロジェクタ装置が投射する画像のイメージ
３０４，３０７  プロジェクタ装置が投射する全投影範囲
４００  指向性スクリーン
４０１  フレネルレンズ
４０２  アクリル板
４０３  ホログラフィックフィルム
５００  ホログラフィックフィルム
５０１，５０２，５０３  透過拡散光の拡散強度分布
６００，７００  指向性スクリーン
６０１，６０２，６０３，６０４，６０５，６０６，７０１，７０２，７０３，７０４，７０５，７０６  ホログラフィックシート
６１０，７１０  画面イメージ
【図１】
2015034906.tif 000016
【図２】
2015034906.tif 000017
【図３】
2015034906.tif 000018
【図４】
2015034906.tif 000019
【図５】
2015034906.tif 000020
【図６】
2015034906.tif 000021
【図７】
2015034906.tif 000022
【図８】
2015034906.tif 000023
【図９】
2015034906.tif 000024
【図１０】
2015034906.tif 000025
【図１１】
2015034906.tif 000026
【図１２】
2015034906.tif 000027
【図１３】
2015034906.tif 000028
【図１４】
2015034906.tif 000029