(57)【要約】【課題】観察者の単眼内に複数の視差画像を呈示する超多眼表示を行って視覚疲労を低減しつつ、広画角化と、観察者に呈示すべき視差画像数を少なくして表示部に要求されるフレームレートを低く抑えることが可能な観察用光学機器を提供する。【解決手段】片方の目に複数の視差画像を入射させる観察用光学機器（５）であって、開口が形成される領域を変更可能な開口形成手段（６）と、前記複数の視差画像を時系列で表示する画像表示手段（１）と前記開口形成手段との同期をとる信号同期手段（４，９，７，８）と、前記信号同期手段からの信号に基づいて、前記開口形成手段の開口が形成される領域を制御する制御手段（７）とを有し、前記開口形成手段の片方の目に対応する領域の周辺部に形成される開口の水平方向幅が、中心部に形成される開口の水平方向幅よりも広いことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
片方の目に複数の視差画像を入射させる観察用光学機器であって、
開口が形成される領域を変更可能な開口形成手段と、
前記複数の視差画像を時系列で表示する画像表示手段と前記開口形成手段との同期をとる信号同期手段と、
前記信号同期手段からの信号に基づいて、前記開口形成手段の開口が形成される領域を制御する制御手段とを有し、
前記開口形成手段の片方の目に対応する領域の周辺部に形成される開口の水平方向幅が、中心部に形成される開口の水平方向幅よりも広いことを特徴とする観察用光学機器。
【請求項２】
前記制御手段は、前記信号同期手段からの信号に基づいて、前記開口形成手段の開口が形成される領域と該開口の水平方向幅を制御し、前記開口形成手段の片方の目に対応する領域の周辺部に形成される開口の水平方向幅が、中心部に形成される開口の水平方向幅よりも広くなるように制御することを特徴とする請求項１に記載の観察用光学機器。
【請求項３】
前記制御手段は、前記開口形成手段に形成する開口の水平方向幅のうち、前記開口形成手段の片方の目に対応する領域の中心部に形成される開口の水平方向幅を前記複数の視差画像の画素の水平方向幅と同じ幅に設定していることを特徴とする請求項２に記載の観察用光学機器。
【請求項４】
前記複数の視差画像の時系列的な順次表示の一周期と、前記開口の時系列的な順次形成の一周期とは、共に１／６０秒以内であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の観察用光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観察者の視覚疲労が少ない立体像を提供可能な観察用光学機器に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
両眼視差画像を観察者の左右眼に独立に呈示して立体画像を表示する装置は、様々な方式のものが提案されている。このうち観察者の左右眼の眼前に何らかの画像分離用メガネを装着させて観察者に両眼立体視を行わせる方式のものは、一般的に「メガネ式立体表示装置」と呼ばれる。さらに上記の画像分離用メガネの分離方法によっても方式分別され、色情報を利用して左右眼用画像を分離するものは「アナグリフ方式」、偏光を利用して分離するものは「偏光メガネ方式」と呼ばれる。また、時間交互に左右眼領域の透過と遮蔽を高速に切り替え、これと同期して左右眼用画像表示を行うものは「時分割シャッターメガネ方式」と呼ばれる。
【０００３】
特許文献１には上記「時分割シャッターメガネ方式」のうち、「超多眼表示」を実現して視覚疲労を低減する新技術を適用した例が開示されている。「超多眼表示」とは例えば非特許文献１に示されている表示方法のことである。非特許文献１では、立体像の視差画像の視差間隔を観察者の単眼内に複数の視差画像が同時に入射するほどに小さくしていくと、通常の両眼視差を用いた立体視では実現しない「立体像観察時の眼の調節と輻輳の一致」という現象が実現されるとされている。また、この現象により、観察者の視覚疲労が低減する可能性があるとされている。特許文献１では、観察者の単眼内に複数の視差画像を同時に入射させるために、複数の視差画像を高速に切り替える表示部と同期して各メガネ枠内にて時系列的に変位可能なスリットを有する画像分離用メガネを構成している。そして、特許文献１では、この画像分離用メガネを用いて、単眼内に複数の視差画像を呈示する「超多眼表示」を行い、観察者に自然な立体視を行わせる技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１９４２９９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】梶木善裕：“超多眼領域を用いた３Ｄディスプレイ”，光技術コンタクト，３６， ｐｐ．６２４−６３１（１９９８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の発明において観察者が広画角で画像観察を行えるようにするためには、上述したスリットの変位範囲が眼球の中心視野から周辺視野までをカバーするように構成する必要がある。しかしながら、そのような構成をとるとスリット数が増大し、ひいてはスリット形成に同期して観察者に呈示すべき視差画像数も増大してしまう。上述した「超多眼表示」を行うためには、上記のスリット形成と視差画像呈示の一連の動作は観察者の残像許容時間内に完了させる必要がある。したがって、観察者に呈示すべき視差画像数が増大すると、その分視差画像を呈示する表示部はより高速フレームレートでの画像切り替え表示が要求されるようになる。例えばスリット数が片眼あたり１０、両眼あわせて２０となる場合、表示部に要求されるフレームレートは通常ディスプレイの２０倍となる。このような高速表示ディスプレイを用意することは容易ではない。
【０００７】
そこで、本発明は、観察者の単眼内に複数の視差画像を呈示する超多眼表示を行って視覚疲労を低減しつつ、広画角化と、観察者に呈示すべき視差画像数を少なくして表示部に要求されるフレームレートを低く抑えることが可能な観察用光学機器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての観察用光学機器は、片方の目に複数の視差画像を入射させる観察用光学機器であって、開口が形成される領域を変更可能な開口形成手段と、前記複数の視差画像を時系列で表示する画像表示手段と前記開口形成手段との同期をとる信号同期手段と、前記信号同期手段からの信号に基づいて、前記開口形成手段の開口が形成される領域を制御する制御手段とを有し、前記開口形成手段の片方の目に対応する領域の周辺部に形成される開口の水平方向幅が、中心部に形成される開口の水平方向幅よりも広いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、観察者の単眼内に複数の視差画像を呈示する超多眼表示を行って視覚疲労を低減しつつ、広画角化と、表示部に要求されるフレームレートを低く抑えることが可能な観察用光学機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の観察用光学機器の平面図である。
【図２】本発明の画像分離用メガネの斜視図である。
【図３】本発明の画像分離用メガネの空間変調器上に形成される開口の正面図である。
【図４】本発明の画像分離用メガネの空間変調器上に形成される開口の位置が時系列的に変化していく様子を示す図である。
【図５】図４の各開口の位置における可視光透過率を表すグラフである。
【図６】本発明の画像表示部上の画像表示タイミングを表すグラフである。
【図７】視差画像取得方法を説明するための図である。
【図８】本発明の画像分離用メガネを用いて観察者が領域２の開口を通して視差画像２を観察する様子を示す図である。
【図９】本発明の画像分離用メガネを用いて観察者が領域３の開口を通して視差画像３を観察する様子を示す図である。
【図１０】画像分離用メガネの空間変調器上に形成される開口の幅がすべて小さい幅に統一された場合の光束指向性との関係を示す図である。
【図１１】画像分離用メガネの空間変調器上に形成される開口の幅がすべて大きい幅に統一された場合の光束指向性との関係を示す図である。
【図１２】画像分離用メガネの空間変調器上の開口の幅がすべて小さい幅に統一された場合の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例】
【００１２】
図１は本発明の実施形態にかかる観察用光学機器の平面図である。本装置は主要な構成として画像表示部１と画像分離用メガネ５とを有している。画像表示部１（画像表示手段）は画像表示部制御手段３に接続され、そこから送信される画像信号を画像情報光に変換して画面上に表示画像Ｉを表示する。画像表示部１は、後述するように複数の視差画像を時系列で表示することが可能である。画像表示部制御手段３は同期信号発生手段４とも接続されており、同期信号発生手段４が画像表示の同期信号を発生して同期用無線信号発信部９（信号同期手段）から無線の同期信号を発信する。
【００１３】
一方、画像分離用メガネ５は以下のような構成を有している。メガネ装着者（観察者）の眼前にあたる部分に空間変調器６Ｒ，６Ｌ（開口形成手段）を有している。ここでは右眼用の空間変調器を６Ｒ、左眼用の空間変調器を６Ｌと記載している（以下、同様にして右眼用の部品には“Ｒ”、左眼用の部品には“Ｌ”の添字を用いる。）。これらの空間変調器６Ｒ，６Ｌは光を透過する領域（以下、光透過領域、又は、開口とも呼ぶ。）と非透過の領域とを入力される電気信号に応じて制御することが可能で、空間変調器駆動部７Ｒ，７Ｌ（制御手段）によって駆動される。空間変調器６Ｒ，６Ｌは、この空間変調器駆動部７Ｒ，７Ｌにより駆動されることで、開口が形成される領域を変更可能である。
【００１４】
また、同期用無線信号受信部８（信号同期手段）を有しているので、前述した同期用無線信号発信部９から発せられる画像表示の同期無線信号を受信することができ、この信号を使用して空間変調器６Ｒ，６Ｌの同期駆動を行うことができる。この同期駆動について、図２〜６を用いて説明する。
【００１５】
図２は画像分離用メガネ５において空間変調器６Ｒ上に形成される光透過領域の様子を示している。開口ＳＬ−６Ｒは水平方向に狭く縦方向に長いスリット形状となっており、開口ＳＬ−６Ｒ以外の領域は光を遮断する構造となっている。開口ＳＬ−６Ｒは前述の同期無線信号に同期して時系列的にその形成位置を変化させていく。
【００１６】
図３は開口形成領域を正面から観察した図である。空間変調器６Ｒ、６Ｌは複数の位置にスリット開口を形成することができるが、本実施例においてはそのうち、左右４つずつの開口形成領域を形成しており、時刻ｔの経過に応じて左右合計８つのうち１つの領域のみが透過状態となるよう制御される。
【００１７】
１つの開口形成時間をΔとするとき、図３の領域１〜８が順次透過状態となっていき時間８Δで開口形成が一巡する。この様子をさらに詳しく図４を用いて説明する。図４において時刻ｔ＝０〜１Δのとき領域１が透過状態となり、その他の領域は非透過となっている。同様にして時刻ｔ＝１〜２Δのときは領域２のみが、時刻ｔ＝２〜３Δのときは領域３のみが・・・という要領で開口形成動作が時間８Δ周期で繰り返される。各領域の可視光透過率をグラフで表すと図５のようになる。グラフ横軸の時刻ｔの変化に伴って、開口形成位置が順次切り替わっていくことが示されている。
【００１８】
なお、空間変調器６Ｒ、６Ｌ上に形成される開口の幅は領域によって異なっている。この効果については後ほど詳しく述べる。ここではまず、開口形成と視差画像表示の同期表示について説明する。
【００１９】
本発明においては上記空間変調器６Ｒ、６Ｌ上での開口形成のタイミングと画像表示部１における画像表示のタイミングを同期させる制御を行っている。図６は画像表示部１上の画像表示タイミングのグラフである。領域１に開口が形成されるときは視差画像１が、領域２に開口が形成されるときは視差画像２が、領域３に開口が形成されるときは視差画像３が・・・という要領で開口位置に対応した視差画像表示が行われる。なお、これら一連の開口形成サイクルはすべて観察者の残像許容時間内（一般に、１／６０秒以内といわれる。）に行われるため観察者は開口の変位を認識することができず、領域１〜４、領域５〜８がそれぞれ大きな開口として認識される。換言すれば、複数の視差画像の時系列的な順次表示の一周期と、開口の時系列的な順次形成の一周期とは、共に観察者の残像許容時間内で行っている。
【００２０】
次に、上記視差画像１〜８の取得方法について説明する。
【００２１】
図７は視差画像取得方法の説明図である。良好な立体画像を再生するためには、撮像時の空間と再生時の空間との相対的位置関係を一致させることが望ましい。つまり撮像空間において、再生したい物体、再生時の画像表示部、観察者の視点の３者の相対的位置関係を仮想的に決めておき、観察者視点位置に撮像カメラを配置して物体を撮像する。その後、再生時の画像表示部の画面範囲でトリミングを行えば、適切な視差画像を取得することができる。
【００２２】
図７で示す撮像空間においては仮想的な立体画像表示部位置を図中１’の位置に、仮想的な観察者視点位置をＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４に定めている。このとき、観察者視点Ｒ１〜４、Ｌ１〜４はそれぞれ、画像再生時の空間変調器６Ｒ、６Ｌの開口形成領域１〜８の中心点と対応している。
【００２３】
したがって、前述した視差画像１〜８を取得するには上記観察者視点Ｒ１〜４、Ｌ１〜４に撮像カメラ３１を配置して、それぞれの視点位置から物体３２を撮像すればよい。ただし、再生時に画像表示部１の画面上に表示する画像範囲は、撮像時の仮想的な画像表示部１’の画面領域と一致していることが望ましいので、各視差画像を図中のクロスハッチング部で示された空間との共通領域に限定するトリミングをおこなうとよい。
【００２４】
このようにして得られた８つの視差画像をそれぞれに対応する視点位置から独立に観察すれば観察者は立体視を行うことができる。図８、９はこの様子を説明する本装置の平面図である。図８は図４〜６における時刻ｔ＝１〜２Δのときの状態を示している。空間変調器６Ｒ、６Ｌの各領域のうち領域２のみが光透過状態となっており観察者はこの領域２の開口を通して表示画像Ｉを観察できるが、このとき表示画像Ｉには領域２の中心点Ｒ２を視点として取得した視差画像２が表示される。同様にして、時刻ｔ＝２〜３Δのときには図９に示すように領域３のみが光透過状態となっており、観察者はこの領域３の開口を通して領域３の中心点Ｒ３を視点として取得した視差画像３を観察する。上記の所作を繰り返すと、観察者は領域１〜８の開口を通して、視差画像１〜８をそれぞれ独立に観察することができる。
【００２５】
このとき例えば視差画像１〜４は右眼に呈示され視差画像５〜８は左眼に呈示されることになるが、このうち右眼用視差画像１枚と左眼用視差画像１枚のペア、例えば視差画像２と視差画像６を観察することで観察者は両眼視差による立体視を行うことができる。
【００２６】
さらに視差画像１〜４はいずれも観察者の右眼のみに、視差画像５〜８はいずれも観察者の左眼のみにほぼ同時に表示されており、先に述べた単眼内視差呈示による「超多眼表示」の状態が達成されることになる。その結果「立体像観察時の眼の調節と輻輳の一致」という現象が実現して観察者の視覚疲労が低減するという効果が生まれる。
【００２７】
次に、開口幅の違いによる「超多眼表示」の状態変化について説明し、それに基づいて本実施例が採用している工夫についても説明する。図１０と図１１はそれぞれ本実施例の構成において、空間変調器６上に形成する開口の幅が小さい場合と大きい場合の観察者の単眼に入射する光束の状態を示した図である。
【００２８】
図１０において表示画像Ｉ上に画素Ａが表示されているときは開口Ａが、画素Ｂが表示されているときは開口Ｂが形成される。各開口の幅は画素と同程度に小さく設定されているため、開口を通して観察者の単眼に入射する光束（図中、網掛けで表示）はいずれも指向性の高い光束となっている。上記の開口形成と画像表示は観察者の残像許容時間内にすべて完了するので、観察者からは指向性の高い２本の光束が同時に片眼に入射するように見える。このとき、２つの光束は図中の交点（１）の位置で交わっているが、光束の指向性が高いため交点（１）の断面積は画素Ａ、画素Ｂの面積とほとんど変わらない。つまり観察者はこの光束の光源面がどこであるかを特定しにくい状態となっている。この状態で観察者が眼の水晶体２２を調節して眼のピントを変化させると、画像表示面Ｐｉに合焦したときは二重像が観察されるのに対し、交点面Ｐｃに合焦したときは１つの点像として認識される。そのため、観察者の眼の調節は光束の交点面Ｐｃに誘導されるといわれている。
【００２９】
一方、図１１のように開口の幅が画素の数倍程度に大きい場合を図１０と比較して見てみると、各開口を通して観察者の単眼に入射する光束（図中、網掛けで表示）は、図１０の場合よりもやや指向性の低い、拡散光気味の光束となっている。このとき、２つの光束は図中の交点（２）の位置で交わっているが、光束の指向性が低いため交点（２）の断面積は画素Ａ、画素Ｂの面積よりも大きくなっている。この状態で観察者が眼の水晶体２２を調節して眼のピントを変化させると、画像表示面Ｐｉに合焦したときよりも交点面Ｐｃに合焦したときのほうが光束断面積は大きくなったように認識される。そのため、図１０の状態と比べて観察者の眼の調節は画像表示面Ｐｉに誘導されやすくなると推測できる。
【００３０】
このように、空間変調器６上に形成する開口の幅が小さい方が、超多眼表示の効果である「立体像観察時の眼の調節と輻輳の一致」状態は、より発生しやすくなると考えられる。
【００３１】
しかしながら、１個の開口の幅をより小さくすると形成すべき開口の数の増加を招く。なぜなら、空間変調器６上の開口形成領域は観察者が表示画像Ｉを観察する画角をカバーするものでなくてはならないため、開口形成可能範囲の面積は不変のまま開口幅が小さくなる分、分割割数が増加することを意味するからである。また、前述したように開口形成サイクル（＝視差画像表示サイクル）は観察者の残像許容時間内に行われるべきなので、もし形成すべき開口の数が増加すると画像表示部１はより高いフレームレートで画像を表示しなくてはならなくなる。
【００３２】
そこで本実施例では形成される開口の幅を観察者の眼の「中心視野」では小さく「周辺視野」では大きくなるよう設定して呈示する視差画像数を抑制し、画像表示部１に要求される表示フレームレートを低く抑えている。なぜなら、一般に眼の中心視野ほど空間分解能は高く、眼の視線方向から２度ずれると視力は１／３ほどに低下するといわれているので、「超多眼表示」を行う対象範囲を「中心視野」優先としても問題ないと考えたからである。つまり、立体像の奥行き知覚に最も寄与すると思われる「中心視野」のみ指向性の高い光束を入射させ、「周辺視野」では入射する光束の指向性を低下させるという方法を本実施例では採用している。この方法は既に図３、４でも示している。観察者左右眼の直前位置に相当する領域２、３、６、７の開口幅は小さく、その周辺部の領域１、４、５、８の開口幅は大きく設定されている。このように、本発明は、空間変調器６の片方の目に対応する領域２、３（６、７）の周辺部の領域１、４（５、８）に形成される開口の水平方向幅が、中心部の領域２、３（６、７）に形成される開口の水平方向幅よりも広い幅を持っていればよい。したがって、本発明の空間変調器６は、図３に示されるように領域１、４（５、８）に形成される開口の水平方向幅が領域２、３（６、７）に形成される開口の水平方向幅よりも物理的に広い幅を持つように作製されるものであってもよい。もしくは、図１２に示されるように領域１〜６（７〜１２）に形成される各開口の水平方向幅が物理的に等しい幅を有する場合であっても、空間変調器駆動部７によって上記広い幅を持つように制御されるものであってもよい。つまり、空間変調器駆動部７は、図１２の領域１、２、５、６（７、８、１１、１２）に形成される開口の水平方向幅が領域３、４（９、１０）に形成される開口の水平方向幅よりも広い幅を持つように制御するものであればよい。
【００３３】
本発明を適用した場合とそうでない場合とで、画像表示部１に要求される性能が大きく異なることを確認しておく。例えば図１２のように形成する開口の幅がすべて等しく、片眼あたり６、両眼あわせて１２の開口を形成する場合、画像表示部１に要求されるフレームレートは通常ディスプレイの１２倍となる。通常ディスプレイの表示フレームレートは６０Ｈｚ程度なので、特許文献１の発明を実施するには表示フレームレート７２０Ｈｚのディスプレイデバイスが必要となる。一方、本実施例の場合図３に示したように、観察者の画角は図１０の場合と同じであるにもかかわらず、形成する開口数が片眼あたり４、両眼あわせて８となっている。したがって、画像表示部１に要求されるフレームレートは通常ディスプレイの８倍で済み、表示フレームレートが４８０Ｈｚ程度のディスプレイデバイスで実現可能となる。つまり本発明を適用した場合、そうでない場合と比べて約３３％も要求フレームレートを低減化することが出来た。
【００３４】
上記実施例の構成によれば、観察者の画角を広く保ちつつも画像表示部に要求される表示フレームレートを従来技術よりも低い値に抑制することができる。
【００３５】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は立体画像を扱うすべての産業分野において利用可能であり、特に立体テレビ、立体映画、医療分野やデザイン分野などの産業用立体画像表示装置、イベントや教育現場での立体コンテンツ上映などへの応用が考えられる。
【符号の説明】
【００３７】
１   画像表示部
４   同期信号発生手段
５   画像分離用メガネ
６   空間変調器
７   空間変調器駆動部
８   同期用無線信号受信部
９   同期用無線信号発信部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図９】
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