JP2018007110A - 表示装置およびスクリーン - Google Patents

Abstract

【課題】従来の投影装置では、立体像に色収差が発生するという問題がある。
【解決手段】表示装置は、二次元状に配置された複数のレンズ毎に複数配置された受光部で撮影光学系を透過した光を撮像した撮像データを表示する表示部と、前記表示部に表示された前記複数のレンズ毎に複数配置された受光部で受光した像を二次元状に配置された複数の凹面鏡毎に投影する投影部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置およびスクリーンに関する。

画像をスクリーンに投影して立体像を表示する投影装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。従来の投影装置では、立体像に色収差が発生するという問題がある。

特開２００９−２１６７５２号公報

第１の態様によると、表示装置は、二次元状に配置された複数のレンズ毎に複数配置された受光部で撮影光学系を透過した光を撮像した撮像データを表示する表示部と、前記表示部に表示された前記複数のレンズ毎に複数配置された受光部で受光した像を二次元状に配置された複数の凹面鏡毎に投影する投影部と、を備える。
第２の態様によると、スクリーンは、投影面と、前記投影面に設けられた二次元状に配置された複数の凹面鏡と、を備える。

立体表示装置の構成を模式的に示す図 複数の凹面鏡の配列を模式的に示す図 プロジェクタの構成を模式的に示す図 ライトフィールドカメラが有する撮像素子を模式的に示した断面図 ライトフィールド画像を例示する図 凹面鏡の形状および配列の変形例を示す図 凹面鏡の配列の変形例を示す図 立体表示装置の変形例を示す図

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る表示装置の構成を模式的に示す図である。立体表示装置（表示装置）１は、プロジェクタ１１およびプロジェクションスクリーン（スクリーン）１２を有する。プロジェクタ１１は、例えば液晶プロジェクタなどであり、後述する二次元画像をプロジェクションスクリーン１２に向けて投射する。

プロジェクションスクリーン１２は、投影面に複数の凹面鏡１２１を有する。複数の凹面鏡１２１は、プロジェクションスクリーン１２の一方の面に二次元状に配列される。複数の凹面鏡１２１は、凹面がプロジェクタ１１の方向を向くように配列される。複数の凹面鏡１２１は、全体として平面３を形成するように配列される。プロジェクタ１１は、複数の凹面鏡１２１の凹面に向けて二次元画像を投射する。

プロジェクタ１１は、所定の投射像面２に二次元画像を結像させる。投射像面２は、複数の凹面鏡１２１の焦点面近傍に位置する。つまり投射像面２は、複数の凹面鏡１２１の主平面から、複数の凹面鏡１２１の焦点距離ｆだけ手前（プロジェクタ１１の方向）に離れた位置に設定される。

図２（ａ）は、複数の凹面鏡１２１の配列を模式的に示す平面図であり、図２（ｂ）は、複数の凹面鏡１２１の配列を模式的に示す断面図である。各々の凹面鏡１２１は、円形の輪郭形状（開口形状）を有する。複数の凹面鏡１２１は、二次元状に正方配列される。

図３は、プロジェクタ１１の構成を模式的に示す図である。プロジェクタ１１は、制御部１１０、記憶部１１１、投影レンズ１１２、光源部１１３、および投影部１１４を有する。

制御部１１０は、不図示のＣＰＵおよびその周辺回路を有する。制御部１１０は、不図示の記憶媒体から所定の制御プログラムを読み込んで実行することにより、プロジェクタ１１全体を制御する。記憶部１１１は、例えばメモリカード等の可搬性の記憶媒体である。記憶部１１１には、１つ以上の画像データが記憶されている。

制御部１１０は、記憶部１１１から画像データを読み出し、その画像データを投影部１１４に出力する。光源部１１３は、例えばＬＥＤ等の光源である。光源部１１３からの光は、投影部１１４に入射する。投影部１１４は、例えば液晶パネルやマイクロミラーデバイス等を有し、制御部１１０により入力された画像データに基づく二次元画像を、光源部１１３からの光によって投影部である投影レンズ１１２に投射する。投影レンズ１１２は、制御部１１０により読み出された画像データに基づく二次元画像を、プロジェクションスクリーン１２に向けて投影する。投影レンズ１１２は、凹面鏡１２１のＦ値の２倍よりも大きなＦ値を有している。この点については後に詳述する。

なお、プロジェクタ１１が記憶部１１１とは異なる場所から画像データを取得するようにしてもよい。例えば、プロジェクタ１１の外部から所定のインタフェースにより画像データが入力されるようにしてもよい。

プロジェクタ１１により投影される二次元画像は、ライトフィールドカメラにより撮像されたライトフィールド画像である。観察者がプロジェクタ１１によりライトフィールド画像が投影されているプロジェクションスクリーン１２を観察すると、ライトフィールド画像に基づく立体像が観察される。つまりプロジェクションスクリーン１２は、ライトフィールド画像に基づき立体像を再生する。

以下、ライトフィールド画像を撮像するライトフィールドカメラ、および、ライトフィールド画像を再生可能な再生装置について順に説明する。その後、プロジェクションスクリーン１２について説明する。

図４は、ライトフィールドカメラが有する撮像素子５０を模式的に示した断面図である。なお撮像素子５０は、マイクロレンズアレイ５１および受光素子アレイ５２を有する。マイクロレンズアレイ５１は、二次元状に正方配列された複数のマイクロレンズ５３を有する。受光素子アレイ５２は、二次元状に正方配列された複数の受光素子５４を有する。１つのマイクロレンズ５３に対して、複数の受光素子５４が対応する。つまり受光素子５４の数はマイクロレンズ５３の数よりも多い。なお図４では、便宜上、マイクロレンズ５３および受光素子５４を一部だけ、実際よりも大きく図示している。

受光素子アレイ５２の受光面は、複数のマイクロレンズ５３の焦点面５７近傍に設けられる。ライトフィールドカメラの撮像光学系５５を通過した被写体光は、複数のマイクロレンズ５３を通過して複数の受光素子５４に入射する。マイクロレンズアレイ５１は、撮像光学系５５の予定焦点面５６近傍に配置される。なお、マイクロレンズ５３のＦ値は、撮像光学系５５のＦ値と同じであることが望ましい。

撮像光学系５５によりマイクロレンズアレイ５１の近傍に結像された被写体像は、マイクロレンズアレイ５１が備える複数のマイクロレンズ５３により奥行き方向に圧縮され、受光素子アレイ５２に畳み込まれる。例えば、撮像光学系５５の像倍率が５０分の１、すなわち撮像光学系５５が被写体像を実際の５０分の１の大きさで予定焦点面５６に結像させる場合、奥行き方向で見ると被写体像はその二乗である２５００分の１の倍率で結像される。つまり、撮像光学系５５は、三次元空間にある被写体を奥行き方向に圧縮した立体像を、予定焦点面５６に結像させる。

以上のように構成された撮像素子５０により撮像される撮像データである二次元画像が、ライトフィールド画像である。ライトフィールド画像は、マイクロレンズアレイ５１の働きにより、通常のカメラにより撮像される画像とは異なる見映えの画像となる。

図５（ａ）は、図５（ｂ）に示す「Ａ」という文字を撮像して得られたライトフィールド画像を例示する図である。図５（ａ）に示すように、ライトフィールド画像は、元の被写体とは大きく異なる見映えの画像となる。

ライトフィールドカメラで撮像されたライトフィールド画像を、撮像素子５０と同様の構成を有する表示装置により表示すると、立体像を観察することができる。具体的には、図４に図示した撮像素子５０の受光素子アレイ５２を、複数の表示画素を有する表示画素アレイ（例えば液晶パネルなど）で置き換えた表示装置を用意する。表示画素アレイによりライトフィールド画像を表示すれば、各々の表示画素から発せられる表示光は、撮像時とは逆向きにマイクロレンズアレイ５１を通過して観察者に向かう。その結果、観察者は、基となる立体像を観察することができる。

なお、ライトフィールド画像をそのまま表示画素アレイに表示すると、観察される立体像の奥行きは基となる被写体像から逆転してしまう。そこで、ライトフィールド画像に対し、奥行き方向が逆転するように前処理を施しておくことが望ましい。例えば、制御部１１０が、ライトフィールド画像を構成する微小領域６０ごとに、微小領域６０内の画像を１８０度回転（反転）させる前処理を施す。もしくは、予めそのような前処理を施した画像データを、記憶部１１１に記憶する。このようにすることで、観察者から正しい向きで観察される立体像を再生することができる。ここで言う微小領域６０とは、１つのマイクロレンズ５３により被覆される領域である。つまり、微小領域６０は、それぞれ１つのマイクロレンズ５３に対応する。

プロジェクションスクリーン１２における複数の凹面鏡１２１は、反射型であるという点を除き、上述した表示装置における複数のマイクロレンズ５３と同様に機能する。すなわち、上述した表示装置において、表示画素からの表示光が複数のマイクロレンズ５３を介して観察者に向かうのと同様に、プロジェクタ１１からの投影光が複数の凹面鏡１２１を介して（複数の凹面鏡１２１により反射されて）観察者に向かう。このように、プロジェクションスクリーン１２は、投射像面２に三次元のライトフィールド像を結像させ、観察者に三次元のライトフィールド像を観察させる。

例えば、プロジェクタ１１の横方向の分解能が４０９６、プロジェクションスクリーン１２の横幅が２ｍとすると、投影されるライトフィールド画像の１つの画素は０．４９ｍｍのサイズである。凹面鏡１２１の直径が４．９ｍｍ、焦点距離が５０ｍｍ、曲率半径が１００ｍｍであれば、凹面鏡１２１のＦ値は１０であり、サグ量（すなわち周辺からの中心の凹み量）は３１μｍである。プロジェクタ１１の投影レンズ１１２のＦ値を３とすると、投射像面２に結像した光線は、投射像面２の一点から約３．３個分の凹面鏡１２１に広がる（凹面鏡１２１のＦ値／投影レンズ１１２のＦ値）。このとき、凹面鏡１２１の焦点距離と凹面鏡１２１の直径（画素単位）の積が、再現可能な奥行きとなる。凹面鏡１２１の焦点距離が５０ｍｍ、凹面鏡１２１の直径が４．９ｍｍ、１つの画素は０．４９ｍｍのサイズであるので、画素単位の凹面鏡１２１の直径は１０、従って再現可能な奥行きは５００ｍｍとなる。つまり、プロジェクションスクリーン１２の前後に５００ｍｍの奥行きを有する立体像を再現することが可能である。

なお、プロジェクタ１１の投影レンズ１１２のＦ値が、凹面鏡１２１のＦ値の２倍よりも大きければ、プロジェクタ１１により投影されるライトフィールド画像の微小領域６０と凹面鏡１２１との位置合わせは不要である。
なお、図５（ａ）は、図５（ｂ）に示す「Ａ」という文字を撮像して得られたライトフィールド画像であるとしたが、コンピュータグラフィックにより作成した「Ａ」という文字の画像データを公知の信号処理方法により信号処理することにより、「Ａ」という文字に対応するライトフィールド画像データを生成して、生成された画像を上述したように表示装置により表示させて投影してもよい。

上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）プロジェクションスクリーン１２は、二次元状に配列された複数の凹面鏡１２１を備える。プロジェクションスクリーン１２にライトフィールドカメラにより撮像されたライトフィールド画像が投影されると、プロジェクションスクリーン１２は所定の投射像面２に三次元のライトフィールド像を結像させる。このようにしたので、スクリーンにおいて色収差が生じず、高品質な三次元像を観察することができる。

（２）複数の凹面鏡１２１は、全体として平面３を形成するように配列される。このようにしたので、プロジェクションスクリーン１２の製造が容易になる。

（３）立体表示装置１は、プロジェクションスクリーン１２と、複数の凹面鏡１２１の反射面に向けてライトフィールド画像を投影するプロジェクタ１１とを備える。このようにしたので、スクリーンにおいて色収差が生じず、高品質な三次元像を観察することができる。

（４）プロジェクタ１１は、ライトフィールドカメラが有する複数のマイクロレンズ５３に対応する複数の微小領域６０ごとに微小領域６０内の画像を１８０度反転させた前記ライトフィールド画像を投影する。このようにしたので、奥行き方向の向きが正しい立体像を観察者に観察させることができる。

（５）プロジェクタ１１は、凹面鏡１２１の反射面よりもプロジェクタ１１側の位置に設けられた投射像面２にライトフィールド画像を結像させる。より具体的には、プロジェクタ１１は、凹面鏡１２１の反射面からプロジェクタ１１側に複数の凹面鏡１２１の焦点距離だけ離れた位置の投射像面２にライトフィールド画像を結像させる。このようにしたので、高品質な三次元像を観察することができる。

（７）プロジェクタ１１は、凹面鏡１２１のＦ値の２倍よりも大きいＦ値を有する投影レンズ１１２を介してライトフィールド画像を投影する。このようにしたので、プロジェクタ１１により投影されるライトフィールド画像の微小領域６０と凹面鏡１２１との位置合わせが不要になる。

（変形例１）
凹面鏡１２１は円形でなくてもよく、その配列は正方配列でなくてもよい。例えば図６に示すように、六角形の外形形状（開口形状）を有する凹面鏡１２１を稠密に配列（いわゆるハニカム配列）してもよい。

（変形例２）
図７に例示するように、複数の凹面鏡１２１が全体として凹面７０を形成するように、凹面鏡１２１を配列してもよい。このようにすることで、特にプロジェクションスクリーン１２の末端近傍における立体像の見映えが改善される。

（変形例３）
図８に例示するように、投射像面２の周辺にフィールドレンズ８０を設けてもよい。このようにすることで、特にプロジェクションスクリーン１２の末端近傍における立体像の見映えが改善される。

１…立体表示装置、１１…プロジェクタ、１２…プロジェクションスクリーン、１２１…凹面鏡

Claims (15)

1. 二次元状に配置された複数のレンズ毎に複数配置された受光部で撮影光学系を透過した光を撮像した撮像データを表示する表示部と、
   前記表示部に表示された前記複数のレンズ毎に複数配置された受光部で受光した像を二次元状に配置された複数の凹面鏡毎に投影する投影部と、
   を備える表示装置。
2. 請求項１に記載の表示装置において、
   前記投影部は、前記凹面鏡の反射面よりも前記投影部側の位置に前記像を結像させる表示装置。
3. 請求項２に記載の表示装置において、
   前記投影部は、投影レンズにより前記像を結像させ、
   前記投影レンズは、前記凹面鏡の反射面よりも前記投影部側の前記投影レンズの略焦点距離離れた位置に前記像を結像させる表示装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の表示装置において、
   前記投影部は、投影レンズにより前記像を結像させ、
   前記投影レンズのＦ値は、前記凹面鏡のＦ値の２倍以上である表示装置。
5. 請求項２から請求項４までのいずれか一項に記載の表示装置において、
   前記投影部は、投影レンズにより前記像を結像させ、
   前記投影レンズと前記複数の凹面鏡との間にフィールドレンズを備える表示装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の表示装置において、
   前記複数の凹面鏡は、形状が平面である投影面に設けられている表示装置。
7. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の表示装置において、
   前記複数の凹面鏡は、形状の少なくとも一部が曲面である投影面に設けられている表示装置。
8. 請求項７に記載の表示装置において、
   前記曲面は、凹面である表示装置。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の表示装置において、
   前記撮像データを前記レンズ毎に前記レンズの光軸に対して１８０度回転させたデータを前記表示部に表示するように制御する制御部を備える表示装置。
10. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の表示装置において、
    前記複数の受光部で撮像された撮影光学系を透過した被写体からの光による像の代わりにデータ処理により生成された被写体の像の画像データを、二次元状に配置された複数のレンズ毎に複数配置された受光部で撮影光学系を透過した前記被写体からの光を撮像した撮像データに対応するデータに画像処理により変換したデータを前記表示部に表示する表示装置。
11. 請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の表示装置において、
    前記二次元状に配置された複数の凹面鏡が設けられた投影面を有するスクリーンを備えた表示装置。
12. 投影面と、
    前記投影面に設けられた二次元状に配置された複数の凹面鏡と、
    を備えたスクリーン。
13. 請求項１２に記載のスクリーンにおいて、
    前記投影面の形状は、平面であるスクリーン。
14. 請求項１３に記載のスクリーンにおいて、
    前記投影面の形状は、少なくとも一部が曲面であるスクリーン。
15. 請求項１４に記載のスクリーンにおいて、
    前記曲面は凹面であるスクリーン。

Images