JP4854504B2

JP4854504B2 - 三次元画像表示方法

Info

Publication number: JP4854504B2
Application number: JP2006355442A
Authority: JP
Inventors: 洪恩廖; 健純土肥; 誠岩原
Original assignee: 有限会社ディー・エッチ・エス
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: JP2008165013A

Description

本発明は、インテグラルフォトグラフィー(ＩＰ)やインテグラルビデオグラフィー(ＩＶ)を高画質化する三次元画像表示方法に関する。

三次元画像表示方法の一つである「インテグラルフォトグラフィー(ＩＰ)」や、その画像群の表示を電子化し動画にも対応させた「インテグラルビデオグラフィー(ＩＶ)」においては、凸レンズを二次元的に並べた凸レンズアレイとその焦点面に配した画像群が用いられる。

ある視点から見た場合、凸レンズアレイの焦点面にある画像群のある１点が各レンズ全体に拡大されて観察され、このレンズアレイの各レンズが画素に相当する二次元画像を観察することになる。

従って、レンズアレイのレンズピッチやレンズ直径が人間の目の分解能より小さければ問題ないが、現在の技術で実現できるＩＰ(ＩＶ)では、レンズピッチもレンズ直径も大きく、それらによるモザイク構造が観察され、目障りであったり、場合によっては立体視すら困難であった。

この問題を解決する簡単な手法として、しばしば立体画像の最も飛び出した位置付近に、僅かな拡散性を示す拡散板を挿入していた（非特許文献１）。

しかし、この方法では、レンズアレイの輪郭がボケてモザイク構造が見えにくくなるものの、拡散板の性質上、拡散板の位置(距離)の像はボケないが、拡散板から前後した画像はその距離に比例してボケが大きくなるわけで、レンズアレイより奥の像が大きくボケたものになり、結局表現できる奥行き範囲を狭める結果になっていた。

また、レンズアレイを高速に振動させると同時にレンズ背面の画像を更新させることで見かけ上ＩＶ像の解像度を向上する方法も開発されたが、レンズアレイと画像表示用ディスプレイの振動は複雑な駆動装置が必要であった（非特許文献２）。
Hongen Liao, Makoto Iwahara, Nobuhiko Hata, Takeyoshi Dohi: High-quality integral videography using a multi-projector, Optics Express, Vol. 12 No. 6, pp.1067-1076, 2004. Jang, JS; Javidi, B: Improved viewing resolution of three-dimensional integral imaging by use of nonstationary micro-optics, OPTICS LETTERS, 27 (5): 324-326 MAR 1 2002

しかしながら、上記の技術によれば、レンズピッチやレンズ直径が大きい場合は、それらによるモザイク構造が観察され、目障りであったり、場合によっては立体視すら困難であった。

また、レンズアレイによるモザイク構造が目障りにならないように、レンズピッチ及びレンズ径を小さくすると、極めてコストが高くなる。

また、立体画像の最も飛び出した位置付近に、僅かな拡散性を示す拡散板を挿入する方法では、レンズアレイの輪郭がボケてモザイク構造が見えにくくなるものの、拡散板の性質上、拡散板の位置(距離)の像はボケないが、拡散板から前後した画像はその距離に比例してボケが大きくなるわけで、レンズアレイより奥の像が大きくボケたものになり、結局表現できる奥行き範囲を狭める結果になっていた。

また、レンズアレイを高速に振動させると同時にレンズ背面の画像を更新させることで見かけ上ＩＶ像の解像度を向上する方法も開発されたが、レンズアレイと画像表示用ディスプレイの振動は複雑な駆動装置が必要であった。

そこで、本発明は、複雑な駆動装置を用いることなく、また三次元画像を大きくボケさせることもなしに、モザイク構造の見えにくいＩＰ(ＩＶ)を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するために、第一の発明は、レンズアレイと該画像表示手段を一体にして、画像表示手段の画像表示面に平行な面内で方向は一定のままにほぼ円運動させることを特徴とする三次元画像表示方法である。

また、第二の発明は、レンズアレイの前面に、表裏面が平行で屈折率が空気と異なる透明材料をその回転軸に垂直でなく傾斜して取り付け、その回転軸を画像表示手段の画像表示面にほぼ垂直に配し回転させることを特徴とする三次元画像表示方法である。

第三の発明は、レンズアレイの前面に、表裏面がプリズムアレイでその表面形状が互いに平行移動した形状で屈折率が空気と異なる透明材料を、画像表示手段の画像表示面にほぼ平行な面内で回転させることを特徴とする三次元画像表示方法である。

第四の発明は、レンズアレイの前面に、片面がプリズムアレイで他面が平面の屈折率が空気と異なる透明材料２枚をそれらのプリズム面が互いに内側になるか互いに外側になるように配置しかつそれらのプリズムアレイの表面形状が互いに平行移動した形状になるように配置し、２枚の該透明材料を一体にして画像表示手段の画像表示面にほぼ平行な面内で回転させることを特徴とする三次元画像表示方法である。

第一の発明〜第四の発明によれば、ＩＰ(ＩＶ)ディスプレイは全体としてその向きを変えることなく、レンズアレイの全てのレンズが一定半径で回転運動するように見える。

各レンズの回転運動が、目の残像で運動として知覚できないほどにモータの回転を早くすれば、各レンズがその回転半径に対応してボケたように感じられ、レンズのモザイク構造が見えにくくなり三次元画像を認識しやすくする。

また、従来の拡散板を挿入する方法では、レンズアレイの輪郭がボケてモザイク構造が見えにくくなるものの、拡散板の性質上、拡散板の位置(距離)の像はボケないが、拡散板から前後した画像はその距離に比例してボケが大きくなるわけで、レンズアレイより奥の像が大きくボケたものになり、結局表現できる奥行き範囲を狭める結果になっていたが、本発明では三次元ディスプレイ全体を、その向きは一定のままで微小円運動させるため、三次元ディスプレイから出る三次元像を構成する光線もその向きが一定のままに微小円運動するので、手前の像も奥の像も同じボケ量となり、従来の拡散板を用いた方法より深い奥行き表現範囲が得られ、三次元画像を高画質化できる。

本発明の一実施形態を、図１に示す。

１は本発明の三次元画像表示装置のベースで、三次元像を観察する空間に対して固定されている。ベース１の４隅には回転軸を支える軸受けがある。

この４個の軸受けには同じ寸法・構造のクランク軸２にタイミングベルトのプーリー３を取り付けたものが回動可能に取り付けられ、プーリー３が同速・同位相で回転するようにタイミングベルト４をかけ、クランク軸２の１本をモータ５で回転させる。

６は液晶パネルの背面にバックライトを固着したもので、該液晶パネルの表面には凸レンズアレイ７が固着されている。

液晶パネル６の４隅には穴が設けられており、プーリー３に偏心して取り付けられたクランク軸２を通して組み立てられる。

この実施形態によれば、モータ５を回転させれば、液晶パネル６とバックライト及び凸レンズアレイ７を固着したものは全体としてその向きを変えることなく一定半径で回転運動する。

各レンズの回転運動が、目の残像で運動として知覚できないほどにモータの回転を早くすれば、各レンズがその回転半径に対応してボケたように感じられる。

各レンズが静止している場合にはレンズの輝度分布は一様であり（図２参照）、モザイク構造が鮮明に見えることになる。しかし、各レンズを回転させるとレンズの輝度分布が一様でなくピークを示し、そのため各レンズ間の輪郭がボケると同時に、ボケたレンズがオーバーラップして並んでいるように見えるので、各レンズ間の画像が滑らかに変化し、モザイク構造が目立たなくなる。

三次元画像は観察者（人間）がより鮮明に感じればよいので、実用的には、各レンズの回転数は、テレビとか映画のコマ数とほぼ同じオーダに設定するのが妥当である。回転数が遅すぎると、モザイク構造がボケずにそのまま見えることになり、人間の目が追随できない速さ以上ではいくら回転数を速くしても効果は変わらないので不必要に高速にしても意味がない。従って、毎秒１６から６０の回転数に設定すると、発明の効果が十分に発揮される。

また、本発明ではレンズを回転させて、凸レンズアレイに起因するモザイク構造をボケさせるのが目的であるので、各レンズを、そのレンズ径より大きく回転させると三次元表示画面全体が動いて表示されることになる。また回転半径が小さ過ぎるとボケの効果が発揮されないことになる。従って、各レンズの回転半径は、レンズピッチの０．１〜１倍の範囲に設定すれば十分な発明の効果が期待できる。

ここに、バックライトは液晶パネル６と一体化されている必要はなく、ベース１に固定されていてもかまわない。

また、表示される三次元像もボケるが、従来の拡散板法とは異なり、そのボケ量は三次元画像の奥行きに無関係に一定であるので、奥行き表現範囲をほとんど劣化させない特徴も有する。

図１の実施形態では、複数のクランク軸により全体としてその向きを変えることなく一定半径で回転運動をさせていたが、図３に示す第二の実施形態のように、縦横の加振装置に９０度位相の異なる振動をさせても良い。

９０度位相の異なるそれらの振動波形を正弦波にすると、レンズアレイの運動は円運動あるいは楕円運動になるし、矩形波なら正方形あるいは長方形運動、三角波なら菱形運動が得られるので、この実施形態の場合はボケの特性を自由に設定できる特徴がある。第二の実施形態においても、凸レンズの回転数及び回転半径は第一の実施形態と同一すれば同じ効果が期待できる。

図４に示す第三の実施形態では、液晶パネルとバックライト及び凸レンズアレイを固定しておき、その前面で、両面が平行な透明ガラス(樹脂)板を傾斜させて回転させるように構成する。両面が平行な傾斜した透明ガラス(樹脂)板を介して光線は平行にその位置がずれるので、回転に応じて凸レンズアレイが全体としてその向きを変えることなく一定半径で回転して見えることになり、図１と同様の結果が得られる（図５参照）。この場合、各レンズの見掛け上の回転半径が、実第一の実施形態のレンズピッチの０．１〜１倍となるように透明ガラスの傾斜度や厚さを調整する必要がある。

図６に示す第四の実施形態では、第三の実施形態の１つのプリズムとして機能する傾斜した透明ガラス(樹脂)板をプリズムアレイに置き換えたものである。

該プリズムアレイの形状は、傾斜した透明ガラス板を同一幅で平行に切り離し、断面が平行四辺形の複数の傾斜した同一形状の透明ガラス条が得られる。各透明ガラス条の平行線四辺形の４つの角の内、２つの鋭角が同一平面に載るように各ガラス条をずらしてプリズムアレイが得られる（図６参照）。

該プリズムアレイを介して光線は平行にその位置がずれるので、回転に応じて凸レンズアレイが全体としてその向きを変えることなく一定半径で回転して見えることになり、図５と同様の結果が得られる。この場合、該プリズムアレイの各透明ガラス条の傾斜度や厚さは第三の実施形態と同様に調整すればよい。図５の場合は傾斜した１枚のガラス板を用いるので、回転に際し、液晶パネルや凸レンズアレイと接触しないように、奥行き方向に空間を設ける必要があり、三次元表示装置が大きくならざるを得ない。プリズムアレイでは、奥行き方向に設ける空間は僅かで済むので、装置全体をコンパクトに構成することができる。

図７に示す第五の実施形態では、第四の実施形態のプリズムアレイを前後に２分割したもので、前後２枚のプリズムアレイの間隔を調節することで画像の見かけの回転半径を調節できる特徴が付加されている。プリズムアレイを構成する各透明ガラス条の断面形状は台形となり、分割された２つのプリズムアレイは互いに１８０度回転対称の関係にある。

この構成による動作や効果は第四の実施形態と同様であり、該プリズムアレイを介して光線は平行にその位置がずれるので、回転に応じて凸レンズアレイが全体としてその向きを変えることなく一定半径で回転して見えることになり、図５と同様の結果が得られる。

図８に示す第六の実施形態では、第五の実施形態のプリズムアレイを前後逆にしたもので、第五の実施形態同様、前後２枚のプリズムアレイの間隔を調節することで画像の見かけの回転半径を調節できる。

前記、第三から第六の実施形態では、プリズムアレイ等の回転軸がその中央にあるので、モータが三次元画像の中央を遮蔽するように構成するか、三次元ディスプレイより大きなプリズムアレイ等を用いて、モータを避けた部分に三次元画像が表示されことになるが、図９に第七の実施形態では、プリズムアレイの外形を円とし、３個のフランジ付きプーリーで支え、１個プーリーをモータで回転させることにより、モータが三次元画像を遮蔽することもなくかつ小型化したものである。

ここに、プリズムアレイと表現したが、第三の実施形態のような斜めの平行ガラス(樹脂)板にも当然適用できる。

本発明により、従来の三次元表示装置に簡単な機構を加えて、各レンズを回転させることにより、三次画像がより鮮明に表示されるので、娯楽、展示会、屋外表示など種々の分野での使用が期待される。

本発明による三次元表示方法の第一の実施形態を示す摸式斜視図回転による三次元表示装置のレンズアレイの輝度分布の変化を説明する図本発明による三次元表示方法の第二の実施形態を示す摸式平面図本発明による三次元表示方法の第三の実施形態に用いる傾斜した透明ガラス（樹脂）の説明図図４の傾斜した透明ガラス（樹脂）の回転による三次元表示において各レンズの見掛け上の回転の説明図本発明による三次元表示方法の第四の実施形態に用いるプリズムアレイの構成の説明図本発明による三次元表示方法の第五の実施形態に用いるプリズムアレイの構成の説明図本発明による三次元表示方法の第六の実施形態に用いるプリズムアレイの構成の説明図本発明による三次元表示方法の第七の実施形態に用いるプリズムアレイを回転させる構成の説明図

符号の説明

１ベース
２クランク軸
３プーリー
４タイミングベルト
５モータ
６（バックライト付き）液晶パネル
７凸レンズアレイ

Claims

複数の凸レンズを縦横に所定の数配列したレンズアレイ及び各凸レンズの後面に該凸レンズに対応する複数の画像を表示する画像表示手段を備えたインテグラルフォトグラフィー又はインテグラルビデオグラフィーとしての三次元画像を表示する装置に於いて、該レンズアレイと該画像表示手段を一体にして、該画像表示手段の画像表示面に平行な面内で方向は一定のままに、回転数は毎秒１６〜６０回転かつ回転半径は該凸レンズアレイのレンズピッチの０．１〜１倍でほぼ円運動させ、該レンズアレイのモザイク構造を見え難くし、奥行き方向のボケを該凸レンズアレイからの距離に関係なく一定とすることで三次元画像を高画質化することを特徴とする三次元画像表示方法。
複数の凸レンズを縦横に所定の数配列したレンズアレイ及び各凸レンズの後面に該凸レンズに対応する複数の画像を表示する画像表示手段を備えたインテグラルフォトグラフィー又はインテグラルビデオグラフィーとしての三次元画像を表示する装置に於いて、該レンズアレイの前面に、表裏面が平行で屈折率が空気と異なる透明材料をその回転軸に垂直でなく傾斜して取り付け、該回転軸を該画像表示手段の画像表示面にほぼ垂直に配し、回転数は毎秒１６〜６０回転かつ背後の凸レンズアレイの見掛け上の回転半径は該凸レンズアレイのレンズピッチの０．１〜１倍で回転させるように該透明材料の傾斜度を及び厚みを設定し、該レンズアレイのモザイク構造を見え難くし、奥行き方向のボケを該凸レンズアレイからの距離に関係なく一定とすることで三次元画像を高画質化することを特徴とする三次元画像表示方法。
複数の凸レンズを縦横に所定の数配列したレンズアレイ及び各凸レンズの後面に該凸レンズに対応する複数の画像を表示する画像表示手段を備えたインテグラルフォトグラフィー又はインテグラルビデオグラフィーとしての三次元画像を表示する装置に於いて、該レンズアレイの前面に、断面が平行四辺形で屈折率が空気と異なる透明材料の複数の同一寸法の条をプリズムアレイとして構成し、該透明材料の条の断面の平行四辺形の１辺がその回転軸に平行になるように取り付け、該回転軸を該画像表示手段の画像表示面にほぼ垂直に配し、回転数は毎秒１６〜６０回転かつ背後の凸レンズアレイの見掛け上の回転半径は該凸レンズアレイのレンズピッチの０．１〜１倍で回転させるように該複数の透明材料の条の断面の平行四辺形の内軸に平行でない方の面の傾斜度及び軸に平行な面の長さを設定し、該レンズアレイのモザイク構造を見え難くし、奥行き方向のボケを該凸レンズアレイからの距離に関係なく一定とすることで三次元画像を高画質化することを特徴とする三次元画像表示方法。
複数の凸レンズを縦横に所定の数配列したレンズアレイ及び各凸レンズの後面に該凸レンズに対応する複数の画像を表示する画像表示手段を備えたインテグラルフォトグラフィー又はインテグラルビデオグラフィーとしての三次元画像を表示する装置に於いて、該レンズアレイの前面に、複数の同一形状の断面が台形の屈折率が空気と異なる透明材料を第一のプリズムアレイとして構成し、更に、前記第一のプリズムアレイと同一形状の第二のプリズムアレイを第一のプリズムアレイと１８０度回転対称となるように互いに平行に配置して複合プリズムアレイを構成し、該画像表示手段の画像表示面にほぼ平行な面内で、回転数は毎秒１６〜６０回転かつ背後の凸レンズアレイの見掛け上の回転半径は該凸レンズアレイのレンズピッチの０．１〜１倍となるようにプリズムアレイの断面の台形の傾斜した面の傾斜度及び該２枚のプリズムアレイの間隔を調整し、該レンズアレイのモザイク構造を見え難くし、奥行き方向のボケを該凸レンズアレイからの距離に関係なく一定とすることで三次元画像を高画質化することを特徴とする三次元画像表示方法。