JP2000047138A

JP2000047138A - 画像表示装置

Info

Publication number: JP2000047138A
Application number: JP10211076A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Ozaka; 勉尾坂; Toshiyuki Sudo; 敏行須藤
Original assignee: MR System Kenkyusho KK
Current assignee: MR System Kenkyusho KK
Priority date: 1998-07-27
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2000-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】立体画像の表示及び立体画像と2次元画像の
双方を混在させて表示し、観察するようにした画像表示
装置を得ること。【解決手段】単一指向性の光線を放射する光源部を複
数配列した光源列と、該光源列の複数の光源部からの光
線を独立に制御して出射させる光線出射方向制御手段
と、該光線出射方向制御手段からの光線の集合が３次元
空間内の所定の点を一定時間内に通過するように該複数
の光源部の発光状態と、該光線出射方向制御手段からの
光線出射方向を制御する制御手段を有し、これらの各手
段を利用して、該所定の点の３次元像再生を行う画像表
示装置において、該光線列からの各光線を所定位置に一
旦集光する集光手段を備え、光線出射方向制御手段はシ
リンドリカルレンズアレイを機械的に振動制御する振動
制御手段を備え、該光線列からの光束の該集光手段によ
る集光位置と該シリンドリカルレンズの焦点位置を一致
させたこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は画像表示装置に関
し、例えば観察者に対して奥行きのある像（3次元像）
を提供する３次元画像を観察する際に好適な画像表示装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から奥行きのある物を奥行きの有る
ように再生する方法として様々な方式が試みられてい
る。このうち、右眼と左眼の視差を利用して立体感を表
現する立体画像表示装置（立体表示装置）は実現の容易
さから実用化されている。両眼視差を利用する立体表示
装置の構成としては、観察者に液晶シャッタ眼鏡や偏光
眼鏡を掛けさせる眼鏡方式と、パララックスバリア方式
のように眼鏡を必要としない方式がある。

【０００３】パララックス・バリヤ方式については、
S.H.Kalplan,"Theory of ParallaxBarriers",J.SMPTE,V
ol.59,No.7,pp.11-21(1952)に開示されており、複数視
点からの複数の視差画像から左右画像が少なくとも交互
に配列されたストライプ画像を、この画像から所定の距
離だけ離れた位置に設けられた所定の開口部を有するス
リット（パララックス・バリヤと呼ばれる）を介して、
それぞれの眼でそれぞれの眼に対応した視差画像を観察
することにより立体視を行うことができる。

【０００４】更に、２次元画像（一視点画像）表示装置
との両立性を向上させるためにパララックス・バリヤを
透過型液晶表示装置を用いて電子的に発生させ、バリヤ
・ストライプの形状や位置などを電子的に可変制御する
ようにした立体表示装置が、特開平３−１１９８８９号
公報、特開平５−１２２７３３号公報等に開示されてい
る。

【０００５】図４３は特開平３−１１９８８９号公報に
開示されている立体画像表示装置の基本構成図である。
同図において画像表示を行う透過型液晶表示面２０１に
厚さｄのスペーサー２０２を介して透過型液晶表示素子
から成る電子的なパララック・バリヤ２０３を配置して
いる。

【０００６】透過型液晶表示面２０１には２方向または
多方向から撮像した視差を有する縦ストライプ画像を表
示し、電子式パララックス・バリヤ２０３にはＸＹアド
レスをマイクロコンピュータ２０４等の制御手段で指定
することにより、コントローラ２０５，Ｘドライバ２０
６，Ｙドライバー２０７を介してバリヤ面上の任意の位
置にパララックス・バリヤパターンを形成し、前記パラ
ラックス・バリヤ方式の原理に従って立体視している。

【０００７】図４４は特開平３−１１９８８９号公報に
開示されている液晶パネルディスプレイと電子式バリヤ
によって構成された立体画像表示装置の表示部の構成図
である。２枚の液晶層２１５、２２５をそれぞれ２枚の
偏光板２１１、２１８および偏光板２２１、２２８で挟
んだ構成になっている。

【０００８】この装置において、２次元画像表示を行う
際には、電子式パララックス・バリヤパターン（電子式
バリア）２０３の表示を停止し、画像表示領域の全域に
わたって無色透明な状態にすることで、従来のパララッ
クス・バリヤ方式を用いた立体画像表示装置とは異なっ
て２次元表示との両立性を実現している。

【０００９】特開平５−１２２７３３号公報には、図４
５に示すように透過型液晶表示素子から成る電子式パラ
ラックス・バリヤ２０３の一部領域のみにバリア・スト
ライプのパターンを発生させることが出来る構成とし、
立体画像と２次元画像とを同一面内で混在表示すること
を可能とした例が開示されている。

【００１０】眼鏡を必要としない立体画像表示方式では
レンチキュラを用いた方式も多く提案されている。レン
チキュラ方式はディスプレイの前面にかまぼこ状のレン
ズを多数ならべたレンチキュラレンズを設け、空間的に
左右の眼に入る画像を分離して、観察者に立体画像を観
察させるものである。

【００１１】これらのうち、両眼視差を用いて観察者に
立体視を行わせる方法（眼鏡方式、パララックスバリア
方式、レンチキュラ方式など）は広く利用されている
が、眼の調節機能による３次元認識と、両眼視差による
立体認識との間に矛盾が生じるため、観察者は疲労や違
和感を覚えることが少なくない。また、こうした両眼視
差のみに頼らず、眼の３次元認識機能の全てを満足する
３次元画像を再生する方法が数多く試みられている。

【００１２】尚、この明細書中で述べている立体画像或
いは立体とは両眼視差によって観察者の大脳内で形成さ
れ実空間には存在しない奥行きのある像を示し、３次元
画像或いは３次元とは表示空間に実像或いは虚像を結び
輻輳と調節が一致する奥行きのある画像を示すものとす
る。

【００１３】特開昭６４−８４９９３号公報には、ホロ
グラフィ技術を用いて３次元物体を再生するための方法
が開示されている。上記特許公報では、液晶ドットマト
リクス表示素子を用いたリアルタイムホログラム再生装
置が開示されている。

【００１４】図４６はこの装置の構成を示した図であ
る。図中、マイクロプロセッサ３０１及び映像制御装置
３０２によって所望の立体画像再生を可能にする干渉縞
パターンを生成し、ドライバ回路３０３にて上記干渉縞
パターンを液晶ドットマトリクス素子３０４上に明暗の
パターンとして描画する。

【００１５】これをレーザー発光回路３０５より発生す
るレーザー光にて照射し、方向Ａから観察すれば観察者
は立体画像を観察することが出来る。さらに、液晶ドッ
トマトリクス素子３０４上に描画する干渉縞パターンを
動的に変化させてゆけば立体動画像を得ることが出来
る。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】２枚または複数の視差
画像を右眼と左眼にそれぞれ導光して観察させる両眼視
差画像を用いた方式の立体ディスプレイは眼の焦点調節
と輻輳が合致しないことから、生理的な違和感・不快感
が生じて長時間の観察に向かないことが指摘されてい
る。

【００１７】また、上記ホログラフィを用いて３次元表
示する立体画像表示装置に於いては以下の様な問題点が
ある。

【００１８】第１に、干渉縞パターンを表示する空間変
調素子の解像度が、従来の感光材料の解像度に比べてか
なり低く、再生光の回折角をあまり大きくできない。よ
って再生像の観察域が狭くなってしまう。

【００１９】第２に、リアルタイムホログラム再生装置
に使用されるような、微細な干渉縞パターンを形成しう
る空間変調素子の有効面積は、概してあまり大きくでき
ない。よって再生像のサイズが制限されてしまう。第３
に、リアルタイムホログラム再生装置に使用されるよう
な、微細な干渉縞パターンを形成しうる空間変調素子の
回折光利用効率は、概してきわめて低い。

【００２０】第４に、空間変調素子上に表示する干渉縞
パターンの情報量が膨大で、干渉縞パターンを演算・処
理する系の処理能力が追いつかない。

【００２１】本発明は、観察者の目の輻輳と焦点調節が
一致し、自然な3次元画像が観察できるとともに、2次元
画像と3次元画像を混在して、又切り替えて観察するこ
とができる画像表示装置の提供を目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明の画像表示装置
は、（１−１）単一指向性の光線を放射する光源部を複数配
列した光源列と、該光源列の複数の光源部からの光線を
独立に制御して出射させる光線出射方向制御手段と、該
光線出射方向制御手段からの光線の集合が３次元空間内
の所定の点を一定時間内に通過するように該複数の光源
部の発光状態と、該光線出射方向制御手段からの光線出
射方向を制御する制御手段を有し、これらの各手段を利
用して、該所定の点の３次元像再生を行う画像表示装置
において、該光線列からの各光線を所定位置に一旦集光
する集光手段を備え、光線出射方向制御手段はシリンド
リカルレンズアレイを機械的に振動制御する振動制御手
段を備え、該光線列からの光束の該集光手段による集光
位置と該シリンドリカルレンズの焦点位置を一致させた
ことを特徴としている。

【００２３】特に、（１−１−１）前記集光手段は、その集光点近傍に前記
光源列からの光線を通過させるピンホールを備えている
こと。

【００２４】（１−１−２）前記集光手段は前記光源列
からの光線を制限する絞りを備えていること。

【００２５】（１−１−３）前記振動制御手段は、前記
シリンドリカルレンズを浮動的かつ弾性的に支持してい
ること。

【００２６】（１−１−４）前記光線出射方向制御手段
は前記光源列からの光を一方向にのみ制御しており、前
記として、集光手段は光源列に対応したシリンドリカル
レンズアレイで構成したこと。

【００２７】（１−１−５）前記振動制御されるシリン
ドリカルレンズアレイのピッチと光源列のピッチを略一
致させたこと。

【００２８】（１−１−６）前記振動駆動手段は、２つ
のシリンドリカルレンズを横方向と縦方向に各々浮動的
かつ弾性的に支持していること。

【００２９】（１−１−７）前記光源列に対応して縦方
向と横方向に光束を集光する２つの集光光学系を設け、
その各々の集光光学系の集光点と前記縦方向と横方向の
２つのシリンドリカルレンズアレイの焦点を一致させた
こと。

【００３０】（１−１−８）前記振動駆動手段は縦方向
と横方向の振動周波数の比を整数倍としたこと。

【００３１】（１−１−９）前記光源列は複数の光源部
の縦方向と横方向の配列密度が異なっており、配列密度
の粗い方に光線出射方向制御手段は機械的な振動制御手
段を設けたこと。

【００３２】（１−１−１０）前記光線出射方向制御手
段は縦方向と横方向に光線出射方向を制御しており、こ
のうち一方は機械的に振動制御しており、他方は多面鏡
からなるポリゴンミラーを回転制御して制御しているこ
と。

【００３３】（１−１−１１）前記光線出射方向制御手
段は縦方向と横方向に光線出射方向を制御しており、こ
のうち一方は機械的に振動制御しており、他方はガルバ
ノミラーを回転制御して制御していること。等を特徴と
している。

【００３４】（１−２）単一指向性の光線を放射する光
源部を複数配列した光源列と、該光源列の複数の光源部
からの光線を独立に制御して出射させる光線出射方向制
御手段と、該光線出射方向制御手段からの光線の集合が
３次元空間内の所定の点を一定時間内に通過するように
該複数の光源部の発光状態と、該光線出射方向制御手段
からの光線出射方向を制御する制御手段を有し、これら
の各手段を利用して、該所定の点の３次元像再生を行う
画像表示装置において、一名或いは複数名の観察者の眼
の位置を検知する観察者検知手段を設け、該光線出射方
向制御手段は、該観察者の眼の位置に応じて光源列及び
光線出射方向の制御を行うことを特徴としている。

【００３５】（１−３）単一指向性の光線を放射する光
源部を複数配列した光源列と、該光源列の複数の光源部
からの光線を独立に制御して出射させる光線出射方向制
御手段と、該光線出射方向制御手段からの光線の集合が
３次元空間内の所定の点を一定時間内に通過するように
該複数の光源部の発光状態と、該光線出射方向制御手段
からの光線出射方向を制御する制御手段を有し、これら
の各手段を利用して、該所定の点の３次元像再生を行う
画像表示装置において、２次元像表示する際には、各光
源列から出射された光線を一定時間内に光線出射方向制
御手段で拡散制御することを特徴としている。

【００３６】特に、（１−３−１）前記光源出射方向制御手段は部分的に前
記拡散制御し、部分的に２次元像表示をすることを特徴
としている。

【００３７】（１−４）単一指向性の光線を放射する光
源部を複数配列した光源列と、該光源列の複数の光源部
からの光線を独立に制御して出射させる光線出射方向制
御手段と、該光線出射方向制御手段からの光線の集合が
３次元空間内の所定の点を一定時間内に通過するように
該複数の光源部の発光状態と、該光線出射方向制御手段
からの光線出射方向を制御する制御手段を有し、これら
の各手段を利用して、該所定の点の３次元像再生を行う
画像表示装置において、光の透過・拡散の制御が可能な
光指向性制御手段を設け、２次元像表示する際には略正
面方向に指向性制御し、拡散していることを特徴として
いる。

【００３８】特に、（１−４−１）前記光指向性制御手段をマトリックス状
に構成し、そのマトリックス毎に透過・拡散制御し、部
分的に２次元像表示すること。

【００３９】（１−４−２）２次元像表示する際に、前
記光指向性制御手段を拡散制御すると共に、光線出射方
向制御手段によって光指向性制御手段の所定位置に光線
が到達するように制御したこと。

【００４０】（１−４−３）前記光指向性制御手段を高
分子分散型液晶で構成したこと。等を特徴としている。

【００４１】（１−５）単一指向性の光線を放射する光
源部を複数配列した光源列と、該光源列の複数の光源部
からの光線を独立に制御して出射させる光線出射方向制
御手段と、該光線出射方向制御手段からの光線の集合が
３次元空間内の所定の点を一定時間内に通過するように
該複数の光源部の発光状態と、該光線出射方向制御手段
からの光線出射方向を制御する制御手段を有し、これら
の各手段を利用して、該所定の点の３次元像再生を行う
画像表示装置において、該光線出射方向制御手段で観察
者の右眼と左眼の２方向に指向性制御すると共に、それ
ぞれ右眼と左眼に対応した視差画像を表示し、立体像を
観察していることを特徴としている。

【００４２】特に、（１−５−１）観察者の位置または眼の位置を検知する
検知手段を設け、該位置に応じて光線の指向性を制御す
ること。

【００４３】（１−５−２）立体画像表示と３次元画像
表示の全面切り替え或いは部分的な混在表示の制御が可
能なこと。

【００４４】（１−５−３）表示面に近い領域では立体
画像を表示し、観察者に近い領域では３次元表示を行う
こと。

【００４５】（１−５−４）２次元像表示手段を設けた
こと。

【００４６】（１−５−５）２次元像と３次元像と立体
像の切り替え或いは混在表示すること。等を特徴として
いる。

【００４７】（１−６）単一指向性の光線を放射する光
源部を複数配列した光源列と、該光源列の複数の光源部
からの光線を独立に制御して出射させる光線出射方向制
御手段と、該光線出射方向制御手段からの光線の集合が
３次元空間内の所定の点を一定時間内に通過するように
該複数の光源部の発光状態と、該光線出射方向制御手段
からの光線出射方向を制御する制御手段を有し、これら
の各手段を利用して、該所定の点の３次元像再生を行う
３次元表示装置において、観察者の眼の近傍に光線出射
方向制御手段を配置するために観察者頭部に表示装置を
装着する手段を備えたことを特徴としている。

【００４８】特に、（１−６−１）観察者の外界と前記表示を重ね合わせる
手段を備えたことを特徴としている。

【００４９】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を説明する前
に、本発明に係る３次元像観察の原理を図１〜図７を用
いて説明する。図１，図２は３次元画像の表示方法の要
部概略図である。

【００５０】図中、１は単一指向性の光線を放射する複
数の光源１ａを有する光源列で、たとえばマイクロレン
ズ付きのＬＥＤ光源列や可視域レーザーダイオード列が
これに相当する。各光源１ａは２次元平面上にそれぞれ
独立して配置されており、各光源１ａから放射される光
は平行光もしくはそれに準ずる単一指向性を有する微小
径の光ビームとなる。２は光線出射方向制御手段で、光
源列１の各光源１ａより放射されるすべての微小径の光
ビームを任意の方向にきわめて高速に偏向することがで
きる。

【００５１】光源列１より放射される光ビームはすべて
光線出射方向制御手段２に入射する。光源列１は複数の
光源を２次元的に配置しており、かつ各光源は独立駆動
なので、図中のように光線出射方向制御手段２の面をＸ
Ｙ平面として座標軸をとれば任意の光ビームが光線出射
方向制御手段２と交わる交点Ｔ１での光ビーム強度はψ
(ｘ,ｙ,０) と表せる。また、光線出射方向制御手段２
によって偏向される光ビームの出射方向はきわめて短い
周期Ｔで変化しており、時刻ｔにおける、この光ビーム
の方向ベクトルｕ＝（ｕ（ｔ）,ｖ（ｔ）,ｗ（ｔ））と
表せる。

【００５２】上記の構成により３次元空間内の任意の点
像Ｐを再生する方法について説明する。点像Ｐの位置を
（α,β,γ）とすると、上記の光線出射方向制御手段２
上の任意点Ｔ１（ｘ,ｙ,０）を出射し点Ｐを通る光線の
方向ベクトルはｖ＝（α−ｘ,β−ｙ,γ）と表すことが
できる。

【００５３】このような光線は光線出射方向制御手段２
によって偏向される光線の出射方向のベクトルｕがｕ
＝ｓ・ｖ（ｓは有理数）となるような時刻ｔに、ＸＹ平
面上の点Ｔ１（ｘ,ｙ,０）を通る光ビームを光源列１よ
り放射することで生成することができる。

【００５４】時刻ｔの検出は光線出射方向制御手段２の
状態を検出する光線出射方向検出手段（検出手段）３に
より行い、光源列１の点灯は検出手段３からの信号に応
じて光源列制御手段４が行う。このような動作を光線出
射方向制御手段２の光線偏向周期Ｔ内にＸＹ平面の全範
囲にわたって行う。光線出射方向制御手段３と光源列制
御手段４は各種の振動制御を行う制御手段の一要素を構
成している。

【００５５】光線偏向周期Ｔが人間の眼の残像許容時間
よりも小さい場合（１／３０〜１／６０秒程度）、点Ｐ
よりも遠い位置でこれら点Ｐを通る光線の集合を観察す
る者は、これらの光線がすべて同時に生成されていると
認識するので、あたかも点Ｐから広がりを持った光束が
発散していくかのように認識し、空間に浮かぶ点像Ｐを
観察することになる。

【００５６】ただし、点像Ｐが３次元画像と認識される
ためには、点像Ｐを再生する個々のビーム径と光線放射
光源列１のピッチがある条件を満足しなくてはならな
い。

【００５７】本発明の３次元表示の原理によれば、再生
される点像はすべて複数の光ビームの交点として表現さ
れている。

【００５８】よってこれを認識するには少なくとも二本
以上のビームが観察者の瞳の中に入射する必要がある。
人間の眼の瞳孔径は2mm〜7mm程度であるので、第一に上
記ビーム径はこの瞳孔径以下、望ましくは直径2mm以下
としている。

【００５９】また、観察者の瞳孔に少なくとも二本のビ
ームが入射するためには、隣り合うビーム間距離がある
程度小さくなくてはならない。これを幾何学的に考察す
ると、図２のような位置関係を考慮する必要がある。つ
まり、ＸＹ平面上での隣り合うビームの距離をΔ、ＸＹ
平面から点像Ｐまでの距離をＬ１、点像Ｐから観察者の
瞳位置ＨＴまでの距離をＬ２、ＸＹ平面のビームの出射
点を１ｂ、ビームを１ｃとする。観察者の瞳位置でのビ
ーム間距離ｐは p =Ｌ１／（Δ＊Ｌ２）と表され、ｐが瞳孔径の半分であれば、観察者の瞳孔に
二本以上のビームが入射する状態となる。

【００６０】上述の説明では観察者と光線出射制御手段
２との間に空中像（実像）を再生するように説明した
が、光線出射制御手段２の奥に虚像を観察させることも
可能である。図４７は観察者に虚像を観察させるための
条件を説明した図である。図４７のＬ１，Ｌ２，Ｐ及び
△には図２で説明したことと同様の関係が存在する。

【００６１】こうした条件がＸＹ平面の全範囲、再生さ
れるすべての点像、想定される観察者の観察位置のすべ
てにおいて満足されていれば、観察者は本装置の再生像
を３次元画像として認識することができる。

【００６２】次に、上記の点像再生方法についてより具
体的に図３〜図７を用いて説明する（説明を簡潔化する
ために水平方向の光線偏向及び実像再生についてのみ考
察することにする）。

【００６３】図３は本画像表示装置の平面図である。単
一指向性の光線を放射する光源列１は、光線出射方向制
御手段２（ＸＹ平面）に対して常に垂直な平行光線を出
射する。光線出射方向制御手段２はマイクロレンズアレ
イ７と高周波振動手段８とを有している。

【００６４】図４はこのような単一指向性の光線を放射
する光源列１の要部断面図である。図中、５はＬＥＤ、
レーザーダイオード、ＥＬ素子等の微小な発光素子の発
光部である。６はこれら発光部５の前面に配置されたコ
リメーターレンズで、発光部５から放射された光を平行
ビームへと変換・整形する光学作用がある。発光部５と
コリメーターレンズ６を組み合わせれば、平行光線を放
射する複数の光源１ａより成る２次元配列となる。

【００６５】一方、光線出射方向制御手段２は左記の平
行光線を、微小周期Ｔで繰り返し高速に偏向させてい
る。図５はこのような動作を制御する制御手段の概略図
である。図中、７はマイクロレンズアレイである。個々
のマイクロレンズ７ａの大きさは上記光源１ａの発光部
５より放射される個々のビーム径より十分大きい。

【００６６】このマイクロレンズアレイ７はピエゾ素子
やボイスコイル等で構成される高周波振動手段８によっ
てきわめて高速に振動している。その振幅はマイクロレ
ンズ７ａの一個の大きさ（長さ）ｍに等しいか又は小さ
い。

【００６７】ある時刻においてマイクロレンズアレイ７
が図中の実線の位置にあるとすると、光源１ａの発光点
Ｘ１より放射される平行ビームはマイクロレンズ７ａの
点Ｘ2において方向ａに偏向される。

【００６８】しかし、別の時刻においてマイクロレンズ
アレイ７が図中の点線の位置に移動すると、同じ光源１
ａから出た平行ビームでも図中方向ｂへと光線偏向方向
が変化する。よって、このような構成を有する手段を用
いれば、平行ビームを微小な時間内に様々な方向に偏向
させることができる。

【００６９】上記のような構成の装置を用いた場合の３
次元空間内の任意点像Ｐを再生する方法を図３で説明す
る。ある時刻ｔにおいて点Ｐを通る光線を再生するため
には、その時刻における光線出射方向制御手段２の状態
に応じて、光源列１ａの中から点灯すべき光源１ａを選
択する必要がある。個々の光源１ａから出射するビーム
はすべて平行ビームでしかもＸＹ平面に垂直であること
はわかっているので、点Ｐから光線を逆トレースしたと
きに、その時刻における光線出射方向制御手段２を介し
てＸＹ平面に垂直な光線となって光源列１に到達するよ
うな点Ｑに位置する光源１ａを、点灯すべき光源の位置
とすればよい。

【００７０】このような光源位置は上記構成の場合一つ
の点像に対して複数個存在するが、そのすべてを同時点
灯し、かつ微小周期Ｔ内の他の時刻についても同様に光
源を選択的に点灯してゆけば、すべての点Ｐで集束する
ような光線を生成することができ、観察者は点像Ｐを認
識することができる。

【００７１】ただし、点灯する光源の範囲に制限を加え
てＸＹ平面上での光ビームの強度に２次元的な分布を与
えると、点Ｐを再生する光束の指向性をも表現すること
ができる。

【００７２】図６はこの方法の説明図である。点Ｐを再
生する光線のすべてを再生すると点像Ｐは観察者Ａと観
察者Ｂの双方に観察されることになるが、光源列１にお
いて光源を点灯させるon領域と点灯させないoff領域と
を設定すると、点像Ｐを再生する光束は観察者Ａにしか
観察されないような指向性を持った光束となる。

【００７３】上記の説明では光線偏向周期Ｔ内に一つの
点像を再生する方法を示したが、本３次元画像観察装置
では光線偏向周期Ｔ内に複数の点像を再生することがで
きる。

【００７４】図７のように再生すべき点像が点像Ｐ1〜
Ｐnの複数個存在したとしても、一つの点像を再生する
場合と同様全点像から光線を逆トレースし、その時刻に
おける光線出射方向制御手段２を介してＸＹ平面に垂直
な光線となって光源列１に到達した点Ｑ1〜Ｑnに相当す
る光源を、点灯すべき光源の位置とすればよい。

【００７５】これを微小周期Ｔ内の他の時刻についても
同様に光源を選択的に点灯してゆけば、観察者は点像Ｐ
1〜Ｐnを認識することができる。同様に、それぞれの点
像の再生光束に指向性を与える場合も、ＸＹ平面上での
光ビーム強度の２次元的な分布がそれぞれしかるべき分
布となるよう考慮して光源の点灯を制御すればよい。

【００７６】以上、図１から図７を用いて説明した本発
明に係る３次元表示手段を本明細書中では「光線再現方
式」と呼称する。

【００７７】本発明の実施形態１を説明する。本実施形
態は、人間の目の輻輳と焦点調節が密接に関係している
ため横方向のみの奥行き情報だけ焦点調節を可能とした
ことを利用した３次元表示手段を示している。

【００７８】図８から図１５を用いて、本発明の実施形
態１について述べる。図８は本実施形態の表示光学系及
び機構系を説明する斜視図である。図９は図８の平面
図、図１０は左側面図である。

【００７９】図中、１０は光線水平方向制御手段であ
り、図１で説明した光線出射方向制御手段２に相当し、
水平方向のみに光線出射方向を制御しており、例えば水
平方向に屈折力を有するシリンドリカルレンズアレイ１
０ａを用いている。１１a〜１１dは光線水平方向制御手
段１０を有する筐体（不図示）において、水平方向の運
動に対してシリンドリカルレンズを浮動的に支持する平
行板バネである。

【００８０】１２aと１２bは光線水平方向制御手段１０
に接着等で取り付けられた電磁コイルで所定の電圧を加
えることで磁界を発生する。１３aと１３bはフェライト
等の磁性材料に所定の着磁を施した磁石であり、筐体に
固定されて取り付けられている。

【００８１】電磁コイル１２aと磁石１３a或いは電磁コ
イル１２bと磁石１３ｂは一対となって動作し、電磁コ
イル１２a或いは１２bに電圧を印加することで水平方向
（図１０では紙面に対して垂直方向）に駆動力を発生す
る。各要素１２ａ，１３ａ（１２ｂ，１３ｂ）は振動制
御手段の一要素を構成している。この実施形態では、可
動側に電磁コイルで固定側に磁石の構成であるが、この
逆構成で可動側に磁石で固定側に電磁コイルでもよい。

【００８２】また、可動部は平行板バネで浮動的に支持
されているため、この系自体が振動系であり、この振動
系の固有振動数と振動制御する周波数を略一致させるこ
とで振動制御に必要な電力を少なくできる。

【００８３】１４は光線水平方向制御手段１０の水平移
動量を検知するための位置センサで、光線水平方向制御
手段１０に取り付けられた光学パターン１４aと、その
光学パターン１４aを読みとるホトインタラプタ１４ｂ
から構成される。この位置センサ１４の方式としては磁
気や電気抵抗等を応用したものでもよく、また、信号形
態としてはアナログ或いはデジタルでも可能である。

【００８４】１５は光源パネルであり、図１で説明した
単一指向性の光線を放射する光源列１に相当し、ＬＥＤ
やレーザーアレイ等の自発光素子等の複数の光源部１５
ａの集合で各々の素子が制御可能となっている。１６は
光源パネル１５とシリンドリカルレンズアレイ１０ａの
中間に設けられる集光系であり、詳しい動作は後述す
る。

【００８５】図１１は本実施形態全体の信号の流れを示
したブロック図である。２０は本実施形態の３次元表示
装置（画像表示装置）を表す。２１は３次元表示装置２
０に接続されるホストコンピュータである。映像ソース
としては３次元表示装置に対応したＶＴＲやＴＶチュー
ナであってもよい。この映像ソースとしては音声等の他
に３次元映像信号と同期信号があるが、本実施形態のよ
うに別々に供給されてもよいし、同一回線を用いて３次
元表示装置内部で分けて処理してもよい。

【００８６】２２は３次元表示装置２０の内部に設けら
れた内部信号生成回路で光線再現方式への信号処理や機
構系と表示回路系のタイミング等を調整する。２３はサ
ーボコントローラで位置センサ１４からの信号と同期回
路からの信号を比較し位相や振幅の制御を行う。２４は
電磁コイル１２aと１２bに電力供給するコイル駆動回
路、２５は電磁コイルやシリンドリカルレンズアレイや
平行板バネを含め所定の伝達関数を有する機構系であ
る。

【００８７】３次元画像の映像ソースは、３次元表示装
置２０で３次元表示できるように図１から図７まで説明
した手段で所定の信号に変換され、機構系２５と光源パ
ネル１５の発光制御を行うことで達成される。

【００８８】図１から図７で説明した光学的構成では、
ビーム径が細くレンズピッチｍに比べて十分小さいもの
として説明してきたが、実際に以下の様な課題がある。

【００８９】一般に光源から放射されるビームの径は有
限の値をもち、レンズによって一度集光された後に拡散
光となる為、３次元画像の表示の際にノイズとなる。こ
のことを図１２を用いて更に説明する。

【００９０】図中１２においてφｄはコリメータレンズ
６から出射される平行ビーム径、Ｈはマイクロレンズ１
０ａの主点、ｆはマイクロレンズ１０ａの焦点距離、α
はビームの広がり角度である。

【００９１】コリメータレンズ６から出射されたビーム
は一旦、シリンドリカルレンズ１０ａの焦点距離fの位
置１０ｆで集光されるが、その後はα＝２arc tan（ｄ
／（２ｆ））の角度で拡散光となり、光線再現方式の像
ボケとなる。従って、観察者の距離が遠くなるとボケ具
合も比例して多くなり、認識しずらい３次元画像とな
る。また、φd＜＜ｍの条件を満たすためには長さｍの
値が有る程度大きくなければならない。

【００９２】長さｍの値が大きいとシリンドリカルレン
ズアレイ１０を高速に往復させるには大きな駆動力が必
要となり、電力消費量が大きくなる。

【００９３】上記のビームが広がる課題とシリンドリカ
ルレンズ１０ａの往復量が大きくなる課題を克服した光
学構成が本実施形態の特徴である。

【００９４】図１３を用いて説明する。図１３中のｆ１
は集光系に設けられた１つのレンズ１６ａの焦点距離で
ある。光源パネル１５の一つの発光素子１５ａより発光
された平行ビームは集光系１６のレンズ１６ａで一旦長
さｆ１隔てた箇所ｆ１ａに集光し、この位置ｆ１ａにシ
リンドリカルレンズ１０ａの焦点を置けばシリンドリカ
ルレンズ１０ａからは平行ビームが出射されて光線再現
方式の３次元表示が可能となる。

【００９５】尚、発光パネル１５からのビームは略平行
で有ればよく、シリンドリカルレンズ１０ａの焦点距離
に集光するようにすれば良い。

【００９６】図１４は本発明の実施形態であり、集光系
１６の集光点ｆ１ａにシリンドリカルレンズ１０ａの焦
点位置を一致させた基本的構成である。光源パネル１５
はコリメータレンズが無い構成となっている。Ｌｎは光
源パネルの発光点を示し、この点（Ｌｎ）に集光系１６
のレンズ１６ａの焦点位置が一致するようにしている。

【００９７】この集光系１６は集光レンズ１６aとビー
ム径を規定する絞り１６ｃとシリンドリカルレンズ１０
ａから射出する平行ビームの平行性を向上させるピンホ
ール１６ｂからなっている。

【００９８】図１５はシリンドリカルレンズ１０ａの焦
点位置に直接発光素子１５ａの発光点を置いたもので、
上述した系に比較して簡素な構成になるが、となりのシ
リンドリカルレンズへの漏れ光が十分に小さく発光点の
面積が十分に小さい必要がある。

【００９９】このようにシリンドリカルレンズ１０ａの
焦点位置に集光点を配置することで、光線の広がりが無
くなり、（厳密に言えば、幾何光学的な広がり）、３次
元画像のボケが無くなる。更にシリンドリカルレンズの
ピッチと発光素子のピッチを略一致させることでレンズ
ピッチｍも比較的小さくてよく、かつレンズの振幅も小
さくて良く、機構上有利になる。

【０１００】また、光源パネルと集光点の間や集光点か
ら観察者の間には光学特性を向上させる目的で複数のレ
ンズを組み合わせてもよい。更に本実施形態のように水
平のみの奥行き情報即ち水平方向のみに光の発散がある
３次元表示装置においては、観察者と表示装置の間に縦
方向のみに光を拡散する手段を設けると縦方向の視域が
広がる。

【０１０１】本実施形態においてはシリンドリカルレン
ズアレイ１０として平凸の場合を図示したが、両凸のシ
リンドリカルレンズアレイを用いることもできる。

【０１０２】次に本発明の実施形態２について説明す
る。実施形態１では水平方向のみに奥行き情報を有する
３次元表示方法について述べてきた。前にも述べた様に
眼の輻輳と焦点調節は密接に連動しているので、水平方
向のみの情報でも観察者からは３次元画像を得ることは
可能であり、観察者が水平方向に観察位置を移動しても
位置に応じた自然な３次元画像を得ることができる。

【０１０３】しかしながら、観察者が上下方向に移動し
たときには、縦方向から見た奥行き情報を持っていない
ため位置に応じた３次元画像を得ることができず、不自
然な３次元画像となってしまう。

【０１０４】本実施形態２は、より自然な３次元画像を
再生するために垂直方向にも奥行き情報を加えた３次元
表示装置である。次に図１６〜図２１を用いて説明す
る。

【０１０５】図１６〜図１８は本実施形態２の表示光学
系及び機構系を説明する斜視図である。尚、図１７は図
１６から部材１０，１１ａ〜１１ｄ，１２ａ，１２ｂを
除いて示している。又、図１８は図１７より部材１１ｅ
〜１１ｈ，１２ｃ，１２ｄ，１３ｃを除いて示してい
る。

【０１０６】図１９は機構部を取り除いた図１６の平面
図、図２０は左側面図である。実施形態１では横方向の
奥行き情報のみであったので、シリンドリカルレンズア
レイ１０を横方向のみ振動・制御していた。本実施形態
では縦方向にも同様の機構を設け縦方向にも駆動できる
ようにしてある。

【０１０７】図１６中の３０は縦方向に振動するシリン
ドリカルレンズアレイ、３１は横方向のみにパワーのあ
り母線が縦であるシリンドリカルレンズアレイ、３２は
縦方向にパワーがあり母線が横方向のシリンドリカルレ
ンズアレイある。

【０１０８】本実施形態の光学的動作としては、横方向
と縦方向とを分離して考えることができる。横方向に関
しては、横方向に対してパワーのないシリンドリカルレ
ンズアレイ３０と３２は平行平板として考えればよく、
図１３の構成と同じになる。

【０１０９】また同様に縦方向に関しても同様に縦方向
にパワーのないものを平行平板として考えれば、図１３
を９０度回転したものになり、光線再現方式による3次
元表示が可能となる。また、図１４と同様の目的でピン
ホールや絞りを設けても良い。

【０１１０】図２１は本実施例の全体の信号の流れを示
したブロック図である。同図において、４０は本実施形
態の３次元表示装置を表す。３５は機構と光源パネルに
よって光線再現方式の3次元表示が可能になるような信
号を発生させるための内部信号生成回路、３６は横と縦
方向の機構制御の分担・制御を行う機構制御部、３７は
横方向の振動制御する横制御部、３８は縦方向の振動制
御を行う縦制御部である。この縦制御される周波数は、
縦方向の奥行き表示をするために横振動周波数の整数倍
に設定している。

【０１１１】以上、実施形態２では縦方向にも光線を制
御することで縦方向にも運動視差が生じ、自然な３次元
画像が供給できる。

【０１１２】次に本発明の実施形態３について説明す
る。上記の実施形態２では、垂直方向の奥行き情報を発
生させるために、水平方向と同様にシリンドリカルレン
ズアレイを振動させた。しかしながら、水平方向の振動
周波数に対して、垂直方向の振動周波数が数倍から数百
倍必要で高速な振動制御をする必要がある。

【０１１３】・高速に振動させるには、大きな駆動力が
必要であり、消費電力が大きくなる。

【０１１４】・高速に振動の振幅と位相を制御すること
が難しく、僅かな制御エラーがあると３次元画像のクロ
ストークやボケとなってくる場合がある。

【０１１５】実施形態３は、縦方向の奥行きを発生させ
るため、縦方向に高密度な発光素子のアレイを用いた構
成としている。図２２から図２７で本実施形態の説明を
行う。

【０１１６】図２２，図２３は本実施形態の表示光学系
及び機構系を説明する斜視図である。図２４は機構部の
一部を取り除いた図２２の平面図、図２５は左側面図で
ある。

【０１１７】実施形態２との差異である縦方向の光線制
御についてのみ説明する。図２６は図２５の光学系を拡
大した説明図である。図中、５２は縦方向に実装密度の
高い単一指向の光線を放射する光源列であるＬＥＤアレ
イ、５１は前述のＬＥＤアレイ５２の光源とほぼ同じピ
ッチを有し、横方向が母線方向であるシリンドリカルレ
ンズアレイである。

【０１１８】図２６においてＰ１はシリンドリカルレン
ズアレイ５１とシリンドリカルレンズアレイ５０の焦点
位置であり、実施形態２で説明したように観察者に平行
光線が放射される。また、実施形態２と同様の目的でピ
ンホールや絞り等を設けても良い。

【０１１９】図２７は本実施例の全体の信号の流れを示
したブロック図であり、構成は実施形態１の図１１で説
明したものとほぼ同様であるが、信号パネル５２と内部
信号生成回路５５と光源駆動回路５６が縦方向に密度の
高い駆動ができるようになっている点が異なる。

【０１２０】このように縦方向に高密度な光源制御手段
をもうけることで、前述した実施形態の課題を解決して
いる。

【０１２１】次に本発明の実施形態４について説明す
る。実施形態２では、垂直方向の奥行き情報を発生させ
るために、水平方向と同様にシリンドリカルレンズアレ
イを振動させた。また、実施形態３では縦方向に高密度
に光源を並べる構成とした。本実施形態では多面の反射
鏡を高速に回転することで縦方向の奥行き情報を発生す
る構成にした。

【０１２２】図２８〜図３１を用いて説明する。図２
８，図２９は本実施形態の表示光学系及び機構系の斜視
図である。図２９は図２８の一部を除いている。図３０
は図２９の平面図、図３１は左側面図である。

【０１２３】図中、７０は本実施形態の単一指向性の光
線を放射する光源であるＬＥＤアレイでライン上に並べ
られたＬＥＤアレイの組み合わせでも平面状に構成され
たＬＥＤアレイでもよい。７１はＬＥＤアレイ７０から
の光線を観察者方向に回転スキャンするポリゴンミラ
ー、７２はＬＥＤアレイ７０からの光線をポリゴンミラ
ー７１で所定位置に集光させるシリンドリカルレンズ、
７３はスキャンされた光線を所定位置に出射するシリン
ドリカルレンズである。ｎ個の反射面を有するポリゴン
ミラー７１が３６０／ｎ度回転するときにＬＥＤアレイ
７０とシリンドリカルレンズ７２の１ピッチに対応した
走査が行われる。シリンドリカルレンズアレイ５０の一
つひとつはＬＥＤアレイ７０の一つひとつに対応づけら
れており、ｎ個の反射面を有するポリゴンミラー７１が
（３６０／ｎ）度回転するときにＬＥＤアレイ７０とシ
リンドリカルレンズの１ピッチに対応した走査が行われ
る。

【０１２４】このＬＥＤアレイ７０から観察者までの間
にビームの平光性を向上させる目的で図１３のシリンド
リカルレンズ１５や図１４の絞り１６ｃやピンホール１
６ａ等の光学手段を設けても良い。また、ポリゴンミラ
ー７１の代わりにガルバノミラーで構成しても同様の効
果が得られる。

【０１２５】信号処理の流れとしては、実施形態２で図
２１を用いて説明したのと同様で、縦制御部３８が本実
施形態のポリゴンミラーの制御に相当する。

【０１２６】次に本発明の実施形態５について説明す
る。一般的に３次元画像は奥行き方向の情報を持つため
に2次元画像に比べ、その扱う情報量が飛躍的に多くな
る。情報量が多いと格納する記憶手段や情報処理のため
の時間や伝送のための時間等とコスト高になる傾向にあ
る。3次元表示装置においても、表示のための処理、特
に図１１のブロック図、図２１や図２７で説明した内部
信号処理回路の負荷が重くなる。

【０１２７】また、上記の実施形態では観察者の瞳以外
に光線を出射するため余分な電力を消費している。本実
施形態では観察者を検知する手段を設け、内部信号発生
回路の負荷を軽減すると同時に省電力化を図っている。

【０１２８】次に本実施形態について図３２から図３５
を用いて述べる。

【０１２９】図３２は本実施形態の全体を示す斜視図で
あり、１００は光線再現方式による3次元表示装置で上
述の実施形態や他の実施形態で実現されたものである。
１００ａは3次元表示装置１００の光線出射面である。
１０１はビデオカメラによる画像処理等の手段で観察者
１０２の顔または眼の位置を検知する観察者検知センサ
である。

【０１３０】図３３は図３２の上方から見た平面図で、
実際の本実施形態の動作を説明した説明図である。尚、
横方向と縦方向は同様であるため縦方向の説明は割愛す
る。

【０１３１】図３３は任意の点Pを光線再現方式によっ
て再生している動作図であり、実線は本実施形態で出射
されている光線を示し破線は上記の実施形態１〜４では
出射されているが本実施形態では出射されない光線を示
したもである。

【０１３２】図３４は本実施形態の信号の流れを説明す
るブロック図で、１０５は観察者センサ１０１の信号と
供給された３次元画像信号から、図３３で説明した光線
の実線部分の表示のみを行うための信号を発生する内部
信号発生回路で、１０６は上述の光線再現方式による3
次元表示部である。

【０１３３】このように観察者の位置に応じて光線の出
射条件を設定することにより、情報処理の負荷の軽減と
省電力化を図っている。更に、図３５に示すように観察
者１０２の眼を検知し、眼のみに光線を出射するように
構成すれば、本実施形態はより効果的となる。

【０１３４】本実施形態では観察者が一人として説明し
たが、観察者検知センサと内部信号発生回路を複数人対
応にすれば、複数人観察時に同様な処理が可能である。

【０１３５】次に本発明の実施形態６について述べる。
一般的に３次元表示装置は３次元情報を持つ画像データ
の再生のみ可能である。しかしながら、テレビ放送やコ
ンピュータ等で使用される画像データは圧倒的に２次元
画像が多い。３次元表示装置においても、２次元画像の
情報をそのまま利用できる２次元表示手段が望まれる。

【０１３６】本実施形態では3次元表示と2次元表示を3
次元表示手段に用いる信号を変更することで2次元・3次
元切り替え表示を行っている。

【０１３７】光線再現方式の3次元表示と2次元表示の光
学的な違いは表示面から出射される光線の指向性にあ
る。3次元表示時にはある輝点を再現するために、その
輝点を通過する光線の出射方向と輝度を制御する必要が
ある。２次元表示する際には光線の出射方向制御の動作
を殺し、光源パネル１５の各々の発光素子を一つの画素
として散乱発光して従来の２次元表装置と同様の表示を
行っている。

【０１３８】図１４を用いて更に説明を行う。３次元表
示の際にはシリンドリカルレンズ７を振動させ、所定の
振動の位相に発光パネル１５ａの発光タイミングを制御
する事で光線の指向性制御を行っている。２次元表示の
際には、シリンドリカルレンズ７の振動の１周期或いは
１／２周期に発光パネル１５ａに同じ信号を与え続けれ
ば、ピンホール１６ｂが一つの発光点（輝点）のように
観察される。ピンホール１６ｂの一つ一つが２次元表示
装置の画素に対応し、奥行きの無い２次元表示が可能と
なる。

【０１３９】図３６は本実施形態の信号の流れを説明し
たブロック図ある。１２０は本3次元表示装置である。
１２１は本実施形態の最も特徴である内部信号発生回路
である。１２２は映像信号が２次元表示用なのか3次元
表示用なのかを判断し処理方法を選択する2次元／３次
元選択部、１２３は前記2次元／３次元選択部１２２に
よって信号処理を切り替えるセレクタ、１２４は2次元
表示をするための２次元画像発生部、１２５は上述した
3次元表示方法に基づき処理する３次元画像発生部であ
る。

【０１４０】１２６は2次元／３次元選択部１２２によ
って表示部１０６に伝達する信号を選択するセレクタで
ある。この装置で２次元表示をするには、前述したよう
に、３次元表示の表示周期の間に同じ信号を供給し続け
ればよい。

【０１４１】このように２次元と３次元表示の切り替え
を行うには信号の発生方法を変えてやれば達成できる。
また、ひとつの表示面で2次元と3次元の混在表示を行う
には、表示領域を分割して領域ごとに上記のような処理
を施せば可能である。

【０１４２】次に本発明の実施形態７について説明す
る。実施形態６では、３次元表示と２次元表示の切り替
え或いは混在表示を信号処理のみで行った。実施形態７
では光の拡散・透過の制御が可能な光指向性制御素子を
用いて可能にしている。

【０１４３】図３７は本実施形態の概要を説明する図
で、図３７（Ａ）は3次元表示の動作状態で、図３７
（Ｂ）は2次元表示の動作状態を示した図である。図
中、１４１は2次元と3次元の切り替えを行うための光指
向性制御素子である。

【０１４４】図３７（Ａ）と図３８（Ｂ）は光線の指向
性制御素子である高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の動作
説明図である。ガラスやプラスチックフィルムなどの透
明基板１４１ａの内側に透明電極１４１ｂを設け、液晶
分子１４１ｄを分散させた高分子１４１ｃを挟んで構成
される。

【０１４５】電圧が印加されていないＯＦＦ状態の同図
（Ａ）の場合には液晶分子１４１ｄの光軸はランダムに
配列し、異常光屈折率が高分子１４１ｃの屈折率と一致
せず、屈折率が異なる界面で光が散乱される。電圧が印
可されたＯＮ状態の同図（Ｂ）では液晶分子１４１ｄの
光軸は図示するように電界方向に配列し常光線屈折率が
高分子１４１ｃの屈折率とほぼ一致するので入射光は散
乱せずにそのまま透過される。

【０１４６】図３９は本実施形態の信号の流れを説明す
るブロック図である。１４２は内部発生回路で映像信号
が3次元表示用であれば、図３７（Ａ）に示すようにPDL
C１４１に電圧を印可し透過状態にして上述の3次元表示
方法と同じ手段で表示する。

【０１４７】また、映像信号が2次元用であれば、図３
７（Ｂ）に示すようにPDLC１４２には電圧を印可しない
で散乱状態にし、光線再現表示部には2次元表示画像を
略観察者方向の一方向のみに表示すれば2次元画像の表
示ができる。この時にシリンドリカルレンズアレイを静
止させることをしても良い。このように光指向性制御素
子とそれに対応した画像信号によって、2次元表示と3次
元表の切り替え表示が可能である。また、本実施形態の
光指向制御素子をマトリックス状に形成し、部分的に透
過・散乱の制御が可能な構成にすれば、2次元表示と3次
元表示の混在表示も可能である。更に、図３７（Ｂ）で
は、光線再現3次元表示部１０６からの光線は略観察者
方向に一方向に出射していたが、図４０に示すように、
多方に光線を出射し、光線とＰＤＬＣが拡散する点の2
次元画像を予め内部信号発生部で求めてＰＤＬＣ１４１
で散乱させてやれば、高精細な2次元画像を得ることが
できる。

【０１４８】次に本発明の実施形態８について説明す
る。従来例で両眼視差の立体表示装置の課題として、眼
の輻輳と焦点の不一致による不自然さを述べた。反面、
奥行き感を表現するのに右眼用と左眼用の２つの視差画
像で可能であり、観察条件をある程度限定すれば、表示
装置の情報処理の負荷が軽い利点もある。実施形態８で
は、３次元表示装置を限定した方向のみに表示制御する
ことで、両眼視差の立体画像を再生する構成について述
べる。

【０１４９】図４１は本実施形態で両眼視差方式の立体
表示方法を実現した説明図である。図中１０２Ｒは観察
者の右眼、１０２Ｌは観察者の左眼である。光源パネル
の発光制御は指向性が観察者の右眼近傍に出射可能か、
或いは左眼近傍に出射可能時に発光輝度の制御が行われ
る。片目のみ注目すると、表示装置１０６からの光線は
光線再現方式の３次元像ではなく従来の２次元表装置の
画像である。

【０１５０】この片目には２次元画像が表示できること
を利用し、右眼には右視差画像、左眼には左視差画像を
表示することで両眼視差方式の立体表示装置が実現でき
る。

【０１５１】このように3次元表示装置の光線指向の制
御を両眼視差画像に限定すれば、簡便に立体表示装置が
構成し、情報量の比較的少ない立体画像が供給できる。
両眼視差方式の立体表示装置では、その立体視領域が狭
い問題点を克服するため、視画像の多像化や観察者の追
従が提案・実施されている。

【０１５２】図４２は上述の3次元表装置で立体表示を
行った構成に観察者の検知手段である観察者検知センサ
１０１を更に備え、観察者位置に応じて3次元表示装置
の光線を制御することで観察者からの見かけ上の立体視
領域を拡大した構成した構成である。

【０１５３】また、本装置構成では3次元画像と立体画
像を領域または時間または指向性制御手段等を用いるこ
とで以下のような表示が可能である。

【０１５４】(イ-1)立体画像と3次元画像の切り替え・混
在表示 (イ-2)立体画像と2次元画像の切り替え・混在表示 (イ-3)立体画像と2次元画像と3次元画像の切り替え・混
在表示両眼視差を利用する立体表示装置において、輻輳と焦点
がある程度合う条件では眼の疲労感や違和感等の不自然
が少ないことが知られている。

【０１５５】輻輳と焦点が有る程度合う条件とは、奥行
きが表示面近くで視差の小さいことである。このような
事から、視差の小さい領域は立体表示を行い、目の前に
飛び出して来る様な視差の大きい領域では３次元表示を
行えば、すべてを３次元表示する構成に比べて少ない情
報量で表示可能となる。次に本発明の実施形態９につい
て説明する。上述で説明した実施形態は観察者と３次元
表示装置の距離がある程度自由である直視方式の３次元
表示装置について述べてきた。実施形態９では観察者が
眼鏡を掛けるように観察する表示装置、すなわちＨＭＤ
（Head Mounted display）形態の実施例について説明す
る。ＨＭＤ方式と直視方式の違いは以下の通りである。・観察者の眼の近くに光線出射方向制御手段等が配置さ
れるために、観察者が観察できる像は虚像に限られる。・多人数での観察はできなく一人用に限定されるが、光
線を観察者の眼の近傍のみに出射できることから、取り
扱う情報量が少なくてすむ。また、情報処理の負荷を軽
減する目的の実施形態８で説明した視点検知追従の手段
を用いなくてもよい。・光線を制御するためのレンズアレイ等の部材が小さく
でき、可動部の質量も小さくできるために高速駆動に有
利となる。

【０１５６】図４８は本実施形態９の３次元表示装置を
観察者が装着した状態で、８０は観察者、８１は右眼表
示部、８２は左眼表示部、８３は本装置を観察者に装着
するための保持具である。図４９は右眼表示部８１の横
断面図で、８４は光線出射方向制御手段、８５は単一指
向性光線放射列であり、左眼表示部８２も同様の構成で
ある。本実施形態では装着部分に光線再現方式に必要な
部位が設けられることに特徴がある。

【０１５７】更に図５０は３次元表示装置と観察者の外
界を同時に観察できる構成の表示部の横断面図であり、
８６は観察窓86aが設けられた表示部、８７は外界と３
次元表示装置の画像を光学的に合成するためのハーフミ
ラーである。尚、図５０で説明した外界と３次元表示を
合成するハーフミラーの替わりに、ＨＭＤの表示部或い
は近傍に設けられたカメラによる画像を合成処理しても
よい。

【０１５８】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、観察者の
目の輻輳と焦点調節が一致し、自然な3次元画像が観察
できるとともに、2次元画像と3次元画像を混在して、又
切り替えて観察することができる画像表示装置を達成し
ている。

【０１５９】この他本発明によれば、光線再現方式によ
って眼の輻輳と焦点調節が一致し自然な３次元画像が得
られる。また、観察者を検知する手段や立体画像を組み
合わせることで、経済性の良いシステムが構成できる。
さらに２次元画像と立体画像と３次元画像を混在・切り
替え表示することで使い勝手のよいシステムが得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の画像表示装置の立体視の説明図

【図２】図１の一部分の光線の光路説明図

【図３】図1の一部分の拡大説明図

【図４】図1の一部分の拡大説明図

【図５】図1の一部分の拡大説明図

【図６】図1の一部分の動作説明図

【図７】図1の一部分の動作説明図

【図８】本発明の実施形態１の表示光学系と機構系の要
部概略図

【図９】図８の要部平面図

【図１０】図８の要部側面図

【図１１】本発明の実施形態１の要部ブロック図

【図１２】図８の一部分の説明図

【図１３】図８の一部分の説明図

【図１４】図８の一部分を変更した説明図

【図１５】図８の一部分を変更した説明図

【図１６】本発明の実施形態2の要部概略図

【図１７】本発明の実施形態2の要部概略図

【図１８】図１６の一部分の説明図

【図１９】図１６の一部分の要部平面図

【図２０】図１６の一部分の要部側面図

【図２１】本発明の実施形態２の要部ブロック図

【図２２】本発明の実施形態３の要部概略図

【図２３】本発明の実施形態３の要部概略図

【図２４】図２２の一部分の要部平面図

【図２５】図２２の一部分の要部側面図

【図２６】図２２の一部分の説明図

【図２７】本発明の実施形態３の要部ブロック図

【図２８】本発明の実施形態4の要部概略図

【図２９】図２８の一部分の概略図

【図３０】図２８の一部分の要部平面図

【図３１】図２８の一部分の要部側面図

【図３２】本発明の実施形態5の要部概略図

【図３３】本発明の実施形態5の動作説明図

【図３４】本発明の実施形態5のブロック図

【図３５】本発明の実施形態5の動作説明図

【図３６】本発明の実施形態６の要部ブロック図

【図３７】本発明の実施形態７の要部概略図

【図３８】本発明の実施形態７の一部分の説明図

【図３９】本発明の実施形態７の要部ブロック図

【図４０】本発明の実施形態７の一部分の説明図

【図４１】本発明の実施形態８の要部概略図

【図４２】本発明の実施形態８の要部概略図

【図４３】従来の立体画像表示装置の要部概略図

【図４４】従来の立体画像表示装置の表示装置の要部概
略図

【図４５】従来の立体画像表示装置の一部分の説明図

【図４６】従来の立体画像表示装置の要部概略図

【図４７】観察者に虚像を観察させる為の説明図

【図４８】本発明の実施形態9の要部概略図

【図４９】図４８の一部分の説明図

【図５０】図４８の一部分の説明図

【符号の説明】１単一指向性光線放射光源列２光線出射方向制御手段３光線出射方向検出手段４光源列制御手段５発光素子の発光部６コリメーターレンズ７マイクロレンズアレイ８高周波振動手段１０シリンドリカルレンズアレイ１１a〜１１d 平行板バネ１２a，１２b 電磁コイル１３a，１３b 磁石１４位置センサ１５光源パネル１６集光系２０第１の実施形態の３次元表示装置２１ホストコンピュータ２２内部信号生成回路２３サーボコントローラ２４コイル駆動回路２５機構系３０シリンドリカルレンズアレイ３１シリンドリカルレンズアレイ３２シリンドリカルレンズアレイ４０第２の実施形態の３次元表示装置３５内部信号生成回路３６機構制御部３７横制御部３８縦制御部５２ LEDアレイ５１シリンドリカルレンズアレイ７０ LEDアレイ７１ポリゴンミラー７２シリンドリカルレンズ７３シリンドリカルレンズ１００光線再現方式による3次元表示装置１０１観察者検知センサ１０２観察者１２０第６の3次元表示装置１２１内部信号発生回路１２２ 2次元／3次元選択部１２３セレクタ１２４ 2次元画像発生部１２５３次元画像発生部１２６セレクタ１４１光指向性制御素子１４２内部発生回路

フロントページの続きＦターム(参考） 5C061 AA06 AA27 AA29 AB12 AB16 AB17 AB24 5G435 AA01 BB04 BB12 CC01 CC11 CC13 DD03 DD04 DD05 DD11 DD13 EE14 EE31 EE35 FF02 FF06 FF07 FF08 FF13 GG01 GG10 GG22 GG23 GG28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単一指向性の光線を放射する光源部を複
数配列した光源列と、該光源列の複数の光源部からの光
線を独立に制御して出射させる光線出射方向制御手段
と、該光線出射方向制御手段からの光線の集合が３次元
空間内の所定の点を一定時間内に通過するように該複数
の光源部の発光状態と、該光線出射方向制御手段からの
光線出射方向を制御する制御手段を有し、これらの各手
段を利用して、該所定の点の３次元像再生を行う画像表
示装置において、該光線列からの各光線を所定位置に一
旦集光する集光手段を備え、光線出射方向制御手段はシ
リンドリカルレンズアレイを機械的に振動制御する振動
制御手段を備え、該光線列からの光束の該集光手段によ
る集光位置と該シリンドリカルレンズの焦点位置を一致
させたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】前記集光手段は、その集光点近傍に前記
光源列からの光線を通過させるピンホールを備えている
ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】前記集光手段は前記光源列からの光線を
制限する絞りを備えていることを特徴とする請求項１に
記載の画像表示装置。
【請求項４】前記振動制御手段は、前記シリンドリカ
ルレンズを浮動的かつ弾性的に支持していることを特徴
とする請求項１の画像表示装置。
【請求項５】前記光線出射方向制御手段は前記光源列
からの光を一方向にのみ制御しており、前記として、集
光手段は光源列に対応したシリンドリカルレンズアレイ
で構成したことを特徴とする請求項１に記載の画像表示
装置。
【請求項６】前記振動制御されるシリンドリカルレン
ズアレイのピッチと光源列のピッチを略一致させたこと
を特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項７】前記振動駆動手段は、２つのシリンドリ
カルレンズを横方向と縦方向に各々浮動的かつ弾性的に
支持していることを特徴とする請求項１の画像表示装
置。
【請求項８】前記光源列に対応して縦方向と横方向に
光束を集光する２つの集光光学系を設け、その各々の集
光光学系の集光点と前記縦方向と横方向の２つのシリン
ドリカルレンズアレイの焦点を一致させたことを特徴と
する請求項７の画像表示装置。
【請求項９】前記振動駆動手段は縦方向と横方向の振
動周波数の比を整数倍としたことを特徴とする請求項７
の画像表示装置。
【請求項１０】前記光源列は複数の光源部の縦方向と
横方向の配列密度が異なっており、配列密度の粗い方に
光線出射方向制御手段は機械的な振動制御手段を設けた
ことを特徴とする請求項１の画像表示装置。
【請求項１１】前記光線出射方向制御手段は縦方向と
横方向に光線出射方向を制御しており、このうち一方は
機械的に振動制御しており、他方は多面鏡からなるポリ
ゴンミラーを回転制御して制御していることを特徴とす
る請求項１の画像表示装置。
【請求項１２】前記光線出射方向制御手段は縦方向と
横方向に光線出射方向を制御しており、このうち一方は
機械的に振動制御しており、他方はガルバノミラーを回
転制御して制御していることを特徴とする請求項１の画
像表示装置。
【請求項１３】単一指向性の光線を放射する光源部を
複数配列した光源列と、該光源列の複数の光源部からの
光線を独立に制御して出射させる光線出射方向制御手段
と、該光線出射方向制御手段からの光線の集合が３次元
空間内の所定の点を一定時間内に通過するように該複数
の光源部の発光状態と、該光線出射方向制御手段からの
光線出射方向を制御する制御手段を有し、これらの各手
段を利用して、該所定の点の３次元像再生を行う画像表
示装置において、一名或いは複数名の観察者の眼の位置
を検知する観察者検知手段を設け、該光線出射方向制御
手段は、該観察者の眼の位置に応じて光源列及び光線出
射方向の制御を行うことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１４】単一指向性の光線を放射する光源部を
複数配列した光源列と、該光源列の複数の光源部からの
光線を独立に制御して出射させる光線出射方向制御手段
と、該光線出射方向制御手段からの光線の集合が３次元
空間内の所定の点を一定時間内に通過するように該複数
の光源部の発光状態と、該光線出射方向制御手段からの
光線出射方向を制御する制御手段を有し、これらの各手
段を利用して、該所定の点の３次元像再生を行う画像表
示装置において、２次元像表示する際には、各光源列か
ら出射された光線を一定時間内に光線出射方向制御手段
で拡散制御することを特徴とする画像表示装置。
【請求項１５】前記光源出射方向制御手段は部分的に
前記拡散制御し、部分的に２次元像表示をすることを特
徴とする請求項１４の画像表示装置。
【請求項１６】単一指向性の光線を放射する光源部を
複数配列した光源列と、該光源列の複数の光源部からの
光線を独立に制御して出射させる光線出射方向制御手段
と、該光線出射方向制御手段からの光線の集合が３次元
空間内の所定の点を一定時間内に通過するように該複数
の光源部の発光状態と、該光線出射方向制御手段からの
光線出射方向を制御する制御手段を有し、これらの各手
段を利用して、該所定の点の３次元像再生を行う画像表
示装置において、光の透過・拡散の制御が可能な光指向
性制御手段を設け、２次元像表示する際には略正面方向
に指向性制御し、拡散していることを特徴とする画像表
示装置。
【請求項１７】前記光指向性制御手段をマトリックス
状に構成し、そのマトリックス毎に透過・拡散制御し、
部分的に２次元像表示することを特徴とする請求項１６
の画像表示装置。
【請求項１８】２次元像表示する際に、前記光指向性
制御手段を拡散制御すると共に、光線出射方向制御手段
によって光指向性制御手段の所定位置に光線が到達する
ように制御したことを特徴とする請求項１６の画像表示
装置。
【請求項１９】前記光指向性制御手段を高分子分散型
液晶で構成したことを特徴とする請求項１６の画像表示
装置。
【請求項２０】単一指向性の光線を放射する光源部を
複数配列した光源列と、該光源列の複数の光源部からの
光線を独立に制御して出射させる光線出射方向制御手段
と、該光線出射方向制御手段からの光線の集合が３次元
空間内の所定の点を一定時間内に通過するように該複数
の光源部の発光状態と、該光線出射方向制御手段からの
光線出射方向を制御する制御手段を有し、これらの各手
段を利用して、該所定の点の３次元像再生を行う画像表
示装置において、該光線出射方向制御手段で観察者の右
眼と左眼の２方向に指向性制御すると共に、それぞれ右
眼と左眼に対応した視差画像を表示し、立体像を観察し
ていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２１】観察者の位置または眼の位置を検知す
る検知手段を設け、該位置に応じて光線の指向性を制御
することを特徴とする請求項２０の画像表示装置。
【請求項２２】立体画像表示と３次元画像表示の全面
切り替え或いは部分的な混在表示の制御が可能なことを
特徴とする請求項２０の画像表示装置。
【請求項２３】表示面に近い領域では立体画像を表示
し、観察者に近い領域では３次元表示を行うことを特徴
とする請求項２０の画像表示装置。
【請求項２４】２次元像表示手段を設けたことを特徴
とする請求項２０の画像表示装置。
【請求項２５】２次元像と３次元像と立体像の切り替
え或いは混在表示することを特徴とする請求項２４の画
像表示装置。
【請求項２６】単一指向性の光線を放射する光源部を
複数配列した光源列と、該光源列の複数の光源部からの
光線を独立に制御して出射させる光線出射方向制御手段
と、該光線出射方向制御手段からの光線の集合が３次元
空間内の所定の点を一定時間内に通過するように該複数
の光源部の発光状態と、該光線出射方向制御手段からの
光線出射方向を制御する制御手段を有し、これらの各手
段を利用して、該所定の点の３次元像再生を行う３次元
表示装置において、観察者の眼の近傍に光線出射方向制
御手段を配置するために観察者頭部に表示装置を装着す
る手段を備えたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２７】観察者の外界と前記表示を重ね合わせ
る手段を備えたことを特徴とする請求項２６の画像表示
装置。