JP2014206638A - 立体表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アイトラッキングを用いた２視差の裸眼３次元表示装置は、視角方向に応じて輝度変動するという問題がある。
【解決手段】立体表示装置は、カメラで撮影した映像から目の位置を認識する検出部と、検出部で検出された目の位置情報に基づいて目の最適位置に立体像が再生されるようにする分離機構と、複数の異なる視差像を同時に表示する表示装置と、表示装置に取り付けられるバックライトと、バックライトを制御するバックライト制御部と、を備え、バックライト制御部は、検出部によって求めた目の位置に応じて、バックライトの輝度を決定する。
【選択図】図９

Description

本開示は、立体表示装置に関し、例えば、アイトラッキングを用いた裸眼立体表示装置に適用可能である。

裸眼３次元ディスプレイはゲーム機や携帯電話、ＴＶなどで応用されている。２視差方式裸眼３次元ディスプレイの場合、３次元として認識できる位置はパネル正面から数度のみであり、見る位置が限定される。それを改善する方法としては多視差方式にすることが一般的である。多視差方式の場合、３次元として認識できる位置を増やすために、表示パネルの解像度を犠牲にする必要がある。

一方、アイトラッキングを用いた２視差の裸眼３次元ディスプレイにおいて、視点を移動させることによって３次元として認識できる位置を増やしている。これにより解像度を犠牲にすることなく３次元認識範囲を広げている。例えば、特許文献１には、「複数の異なる視差像を同時に表示する液晶パネル（１）と、液晶パネル（１）に装着されておりシリンドリカルレンズのアレイで構成されてかつシリンドリカルレンズの光学特性を可変できる光学特性可変レンズ（２）と、観察者の頭部の空間的位置を検出する頭部検出部（３）と、頭部検出部（３）に接続されており頭部検出部（３）で検出された頭部の位置情報に基づいて頭部の最適位置に立体像が再生されるように光学特性可変レンズ（２）を制御する光学特性可変レンズ制御部（４）とを備える。」ことが開示されている。

特開平７−７２４４５号公報

本発明者らはアイトラッキングを用いた２視差の裸眼３次元表示装置について検討を行った結果、視角方向に応じて輝度変動するという問題があることを見出した。

本開示のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、立体表示装置では、輝度分布が変動しないように目の位置に応じてバックライトの輝度を変調する。

上記立体表示装置によれば、視点が切り替わるときに発生する輝度変動を軽減することができる。

立体表示装置の全体を説明するための図面である。 液晶レンズの構造を示す断面概略図である。 図２の液晶レンズを用いた立体表示素子の断面図である。 図３の立体表示素子の視野角に対する輝度を測定した結果を示す図である。 動的レンズの電極構造を示す概略断面図である。 図５の液晶レンズを用いた立体表示素子の断面図である。 図６の立体表示素子の輝度分布を示す図である。 表示装置に全白を表示した際の視野角に対する輝度を示す図である。 実施例に係る立体表示装置の全体図である。 視野角に対する規格化バックライト輝度および視野角に対する表示装置の規格化輝度分布を示す図である。 変形例１に係る立体表示装置の全体図である。 変形例２に係る立体表示装置の全体図である。

以下、実施の形態、実施例および変形例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明は省略する。

＜本開示に先立って検討した技術＞
図１は立体表示装置の全体を説明するための図面である。立体表示装置１は、アイトラッキング（ＥＴ）用いた裸眼３次元ディスプレイシステムである。立体表示装置１は２視差の裸眼３次元ディスプレイにおいて、視点を移動させることによって３次元として認識できる位置を増やしている。これにより解像度を犠牲にすることなく３次元認識範囲を広げている。

立体表示装置１はカメラ４とカメラ４の映像から目の位置を決定する検出部３を有している。検出部３は例えばモバイル機器の中に内蔵しても良い。表示装置５には２つの異なる視差像が１周期ごとに表示されている。１つの視差像は左目に対応する視差像（左目用映像）で、他方の視差像は右目に対応する視差像（右目用映像）である。目の位置の信号を左右の目それぞれに映像を入力するための分離機構２を有している。検出部３から出力された信号を分離機構２に入力することにより、目の位置がカメラ４の認識位置の範囲であれば、どこに目の位置があったとしても３次元映像を見ることが可能となる。

（分離機構）
分離機構２は液晶レンズで構成される。液晶レンズの動作について詳しく説明する。図２は最も簡単な液晶レンズの構造を示す断面概略図である。図２（ａ）は図２（ｂ）におけるＡ−Ａ’線の断面図、図２（ｂ）は平面図（下面図）である。液晶レンズ２０は、第１の基板２１と、第１の基板２１に取り付けられた第１の電極２２と、第１の電極２２に取り付けられた配向膜２３ａとを有する。また、液晶レンズ２０は、第２の基板２４と、第２の基板２４に取り付けられた第２の電極２５と、第２の基板２４と第２の電極２５に取り付けられた配向膜２３ｂとを有する。さらに、液晶レンズ２０は、配向膜２３ａと配向膜２３ｂとの間には液晶２６を有する。液晶レンズ２０は、複数のレンズを有し、レンズのピッチはＱで表される。

ここでは表示装置５は対角４．５インチ、画素数が１２８０×７２０7を用いた。表示装置５の場合、Ｑはおよそ７７μｍとなる。電極の幅はＬ、液晶層厚はｄで表すと、Ｌはおよそ１０μｍであり、ｄは２０〜３０μｍ程度である。第１の電極２２は透明電極であり、面状の電極である。第２の電極２５は透明電極であり、くし歯状（図２の記載範囲ではストライプ状）の電極である。

配向膜２３ａ、２３ｂはポリイミドであり、水平配向（基板面に平行に配向）させる機能を有する。液晶２６は正の誘電率異方性を有する。ただし、配向膜２３ａ、２３ｂは垂直配向、液晶２６は負の誘電率異方性を有しても良い。第１の電極２２と第２の電極２５の間に電圧を印加することによって、非レンズ状態からレンズ状態へ切り替えることができる。液晶は印加電圧によって屈折率が変化し、印加電圧を制御することで屈折率分布をもたせることができる。このような屈折率分散によってレンズ効果が得られるレンズのことを屈折率分散型レンズと呼ばれている。

（立体表示素子）
図３は図２の液晶レンズを用いた立体表示素子の断面図である。図４は図３の視野角に対する輝度を測定した結果を示す図である。立体表示素子３０は、液晶レンズ２０を表示装置５に樹脂などの接着部材で張り合わせて作製したものである。立体表示素子３０の視野角に対する輝度を測定した。このときに、液晶レンズ２０には閾値よりも十分高い電圧を印加し３次元表示状態とした。表示装置５には右目用画像に白、左目用画像に黒を表示している。図４の視野角とは表示装置の法線方向からの角度を示している。図４からわかるように、液晶レンズ２０を用いた立体表示素子３０の輝度分布は周期性を有している。輝度がピークの位置に右目が有る場合に立体に見えるように立体表示素子３０を設計している。つまり例えば図４に示した輝度分布であれば、約１９度周期で立体表示に見える。この周期は、液晶レンズ２０の液晶２６と表示装置５の液晶との間の距離や液晶レンズ２０のレンズピッチ等で決まるものである。

（動的レンズ）
次に本開示で用いる液晶レンズについて説明する。本開示で用いる液晶レンズ２０ａは図２の液晶レンズ２０と異なり、ひとつのレンズの中に複数の第２の電極を有している。これにより液晶レンズのピッチを変えることなく、レンズの位置のみを移動させることができる。図５は動的レンズの電極構造を示す概略断面図である。図２に示した第２の電極２５は複数に分割されている。Ｉから次のＩまでの電極で１周期となっており、その間にＩＩ〜ＶＩの電極が存在している。図５では６分割できるような電極構造になっているが、電極の数は特に限定されない。この分割数のことを視点数と呼ぶ。この視点数は例えば、図４で示した周期を分割できる数である。つまり６分割した場合は１視点の角度範囲は約１９度／６分割＝約３．２度となる。立体に見える角度範囲は、数度程度はあるので、各視点範囲(３．２度)で立体表示することが可能である。立体に見える角度周期が広すぎる場合は、視点数を増やすことで対応することができる。このようなレンズ位置を移動させることができるレンズを本開示では動的レンズと呼ぶ。

分離機構２ａは液晶レンズ２０ａで構成される。液晶レンズ２０ａには、検出部３からの信号を受けて、電極に電圧印加する制御回路を含んでいる。電圧の印加方法は例えば（i）のレンズを達成するためにはIの電極に最も大きな電圧(例えば６Ｖ)を印加し、次にＩＩとＶＩには中間の電圧（例えば２Ｖ）を印加する。次にＩＩＩとＶには最小の電圧（例えば１Ｖ）を印加する。最後に中間位置の電極は対向の第１の電極２２と同電位として０Ｖとする。レンズの位置を切り替える場合（例えば（ii）のレンズにする場合）は、ＩＩに最大の電圧、ＩとＩＩＩに中間の電圧、ＶＩとＩＶに最小の電圧、Ｖは０Ｖとする。このような電圧を印加することによってレンズの位置を視点数分だけ動かすことができる。

図６は図５の立体表示素子の断面図である。図７は図５の動的レンズを用いたときの立体表示素子の輝度分布を示す図である。立体表示素子３０ａは、液晶レンズ２０ａを表示装置５に樹脂などの接着部材で張り合わせて作製したものである。表示装置５には右目用画像に白、左目用画像に黒を表示している。図７中のＩ〜ＶＩは図５のＩ〜ＶＩに最大電圧を印加した場合に対応している。図７からもわかるように、電圧を印加する位置に応じて、輝度分布の位置が変化していることがわかる。アイトラッキングシステムは、目の位置に応じて目の位置にピーク輝度が得られるように制御をしている。

図８はアイトラッキングシステムを動作させながら表示装置に全白を表示した際の視野角に対する輝度を示す図である。図８からわかるように、アイトラッキングによって視点を切り替える場合、このように視野角に応じて輝度が変動することが問題である。

そこで、実施の形態に係る立体表示装置（１Ａ）は、カメラ（４）で撮影した映像から目の位置を認識する検出部（３）と、検出部（３）で検出された目の位置情報に基づいて目の最適位置に立体像が再生されるようにする分離機構（２ａ）と、複数の異なる視差像を同時に表示する表示装置（５）と、表示装置（５）に取り付けられるバックライトと、バックライトを制御するバックライト制御部（７）と、を備え、バックライト制御部（７）は、検出部（３）によって求めた目の位置に応じて、バックライトの輝度を決定する。

実施の形態に係る立体表示装置によれば、視点が切り替わるときに発生する輝度変動を軽減することができる。

分離機構としては液晶レンズの他に液晶バリアなどを用いることができる。実施例では液晶レンズを例に説明する。また、表示装置は２次元像ができる装置であれば特に限定されない。例えば、液晶表示装置や、有機ＥＬ（ＯＬＥＤ）装置や、プラズマ装置などでもかまわない。実施例では液晶表示装置を例に説明する。

図９は実施例に係る立体表示装置の全体図である。立体表示装置１Ａは、アイトラッキングを用いた裸眼３次元ディスプレイシステムである。図１との差は、立体表示装置１Ａが輝度計算部６と表示装置５のバックライト制御部７を有していることである。なお、実施例に係る分離機構２ａには液晶レンズ（動的レンズ）２０ａを用いている。したがって、実施例に係る立体表示素子は、図６の立体表示素子３０ａを用いている。表示装置５には図示していないバックライトを備えている。

輝度計算部６は検出部３によって求めた目の位置に応じて、バックライトの輝度を決定するための機構である。輝度計算部６には、例えば図８のような視角に応じた輝度の関係をあらかじめ測定しておいたデータが格納される記憶部６１を有している。輝度計算部６は、検出部３で求めた視角と記憶部６１のデータに基づいて輝度を算出し、バックライトを調整するための信号をバックライト制御部７に出力する。バックライト制御部７は、バックライトの光源をＰＷＭ調光等する回路を備えており、バックライトを調整するための信号に基づいて、例えば、ＰＷＭの周波数やデユーティを変更することによって光源の明るさを変化させることができる。バックライトの光源としてはＬＥＤや有機ＥＬ、無機ＥＬなどが用いることができる。

図１０（ａ）は視野角に対する規格化バックライト輝度を示す図、図１０（ｂ）はアイトラッキングシステムを動作させながら視野角に対する表示装置の規格化輝度分布を示す図である。表示装置５には全白を表示している。立体表示装置１Ａでは、図１０からわかるように、視野角に応じてバックライト輝度を制御することにより、輝度変動を低減できていることが確認できる。

＜変形例１＞
図１１は変形例１に係る立体表示装置の全体図である。実施例との差は、立体表示装置１Ｂが輝度制御部８を有していることである。輝度計算部６ｂは検出部３によって求めた目の位置に応じて、輝度を決定するための機構である。輝度計算部６ｂには、例えば図８のような視角に応じた輝度の関係をあらかじめ測定しておいたデータが格納される記憶部６１を有している。輝度計算部６ｂは、検出部３で求めた視角と記憶部６１のデータに基づいて輝度を算出し、輝度を調整するための信号を輝度制御部８に出力する。輝度制御部８は、視野角に応じてトータルの輝度が変動しないように、輝度を制御する。表示装置５は液晶表示装置や、有機ＥＬ（ＯＬＥＤ）装置や、プラズマ装置などでもかまわない。

＜変形例２＞
図１２には変形例２に係る立体表示装置の全体図である。実施例との差は、立体表示装置１Ｃが映像制御部９を有していることである。輝度計算部６ｃは検出部３によって求めた目の位置に応じて、輝度を決定するための機構である。輝度計算部６ｃには、例えば図８のような視角に応じた輝度の関係をあらかじめ測定しておいたデータが格納される記憶部６１を有している。輝度計算部６ｃは、検出部３で求めた視角と記憶部６１のデータに基づいて輝度を算出し、映像を調整するための信号を映像制御部９に出力する。映像制御部９は、視野角が変化したとしても輝度変動など気にならないように表示装置５に映す映像を切り替える。映像は例えば、明るさがわかっても良いし、立体表示のため多視点用の映像に切り替えても良い。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態、実施例および変形例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施の形態、実施例および変形例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ・・・立体表示装置
２、２ａ・・・分離機構
３・・・検出部
４・・・カメラ
５・・・表示装置
６、６ｂ、６ｃ・・・輝度計算部
７・・・バックライト制御部
８・・・輝度制御部
９・・・映像制御部
２０、２０a・・・液晶レンズ
３０、３０ａ・・・立体表示素子
６１・・・記憶装置

Claims (15)

1. カメラで撮影した映像から目の位置を認識する検出部と、
   前記検出部で検出された目の位置情報に基づいて目の最適位置に立体像が再生されるようにする分離機構と、
   複数の異なる視差像を同時に表示する表示装置と、
   前記表示装置に取り付けられるバックライトと、
   前記バックライトを制御するバックライト制御部と、
   を備え、
   前記バックライト制御部は、前記検出部によって求めた目の位置に応じて、バックライトの輝度を決定する立体表示装置。
2. 請求項１の立体表示装置は、さらに、輝度計算部を有し、
   前記輝度計算部は、視角に応じた輝度の関係をあらかじめ測定しておいたデータが格納される記憶部を有し、
   前記輝度計算部は、前記検出部で求めた視角と前記記憶部のデータに基づいて輝度を算出し、前記バックライトを調整するための信号を前記バックライト制御部に出力する。
3. 請求項２の立体表示装置において、前記分離機構は液晶レンズである。
4. 請求項３の立体表示装置において、前記液晶レンズは、１つのレンズに複数の電極を有し、電圧を印加することによってレンズの位置を電極数分だけ動かす動的レンズである。
5. 請求項４の立体表示装置において、前記液晶レンズと前記表示装置は接着部材で貼り合わされている。
6. カメラで撮影した映像から目の位置を認識する検出部と、
   前記検出部で検出された目の位置情報に基づいて目の最適位置に立体像が再生されるようにする分離機構と、
   複数の異なる視差像を同時に表示する表示装置と、
   輝度を制御する輝度制御部と、
   を備え、
   前記輝度制御部は、前記検出部によって求めた目の位置に応じて、視野角に応じてトータルの輝度が変動しないように、輝度を制御する立体表示装置。
7. 請求項６の立体表示装置は、さらに、輝度計算部を有し、
   前記輝度計算部は、視角に応じた輝度の関係をあらかじめ測定しておいたデータが格納される記憶部を有し、
   前記輝度計算部は、前記検出部で求めた視角と前記記憶部のデータに基づいて輝度を算出し、前記輝度を調整するための信号を前記輝度制御部に出力する。
8. 請求項７の立体表示装置において、前記分離機構は液晶レンズである。
9. 請求項８の立体表示装置において、前記液晶レンズは、１つのレンズに複数の電極を有し、電圧を印加することによってレンズの位置を電極数分だけ動かす動的レンズである。
10. 請求項９の立体表示装置において、前記液晶レンズと前記表示装置は接着部材で貼り合わされている。
11. カメラで撮影した映像から目の位置を認識する検出部と、
    前記検出部で検出された目の位置情報に基づいて目の最適位置に立体像が再生されるようにする分離機構と、
    複数の異なる視差像を同時に表示する表示装置と、
    映像を制御する映像制御部と、
    を備え、
    前記映像制御部は、前記検出部によって求めた目の位置に応じて、視野角が変化したとしても輝度変動など気にならないように表示装置に映す映像を切り替える立体表示装置。
12. 請求項１１の立体表示装置は、さらに、輝度計算部を有し、
    前記輝度計算部は、視角に応じた輝度の関係をあらかじめ測定しておいたデータが格納される記憶部を有し、
    前記輝度計算部は、前記検出部で求めた視角と前記記憶部のデータに基づいて輝度を算出し、前記映像を切り替えるための信号を前記映像制御部に出力する。
13. 請求項１２の立体表示装置において、前記分離機構は液晶レンズである。
14. 請求項１３の立体表示装置において、前記液晶レンズは、１つのレンズに複数の電極を有し、電圧を印加することによってレンズの位置を電極数分だけ動かす動的レンズである。
15. 請求項１４の立体表示装置において、前記液晶レンズと前記表示装置は接着部材で貼り合わされている。

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