JP2000509591A

JP2000509591A - ３次元画像生成方法及び装置

Info

Publication number: JP2000509591A
Application number: JP10532663A
Authority: JP
Inventors: ティボールバロウ
Original assignee: ソニーインターナショナル（ヨーロッパ）ゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング; ホログラフィカ
Priority date: 1997-02-04
Filing date: 1998-02-04
Publication date: 2000-07-25
Also published as: DE69820363T2; HUP9700348A1; KR100544492B1; HU9700348D0; US6201565B1; CN1220807A; EP0900501A1; CA2250968C; CN1216500C; AU6224898A; DE69820363D1; WO1998034411A1; EP0900501B1; CA2250968A1; KR20000064910A

Abstract

(57)【要約】本発明に係る方法によれば、３次元画像情報を含む複数の光ビームを同時に変調し、所定の視野角（視野）における上記画素からの光ビームの成分を第１の発光面を形成する画素（画像点）に向けて３次元画像に対応する強さで、異なる視野方向に出射し、変調された光ビームを、視野角における出射角に応じて、異なる入射角から画素に向け、異なる方向に対応して変調された光ビームを、第１の発光面から所定の距離をもって離間した第２の発光面の１以上の発光点から、第１の発光面の画素に指向させる。３次元画像を生成する装置は、発光点（Ｓ１．．．Ｓｍ）を有するとともに、画素（Ｐ１．．．Ｐｎ）を有する発光面（４０）から所定の距離に離間した第２の発光面（５０）を有し、第１の発光面（４０）の画素（Ｐ１．．．Ｐｎ）の各方向（ｉ１．．．ｉｎ）毎に、第２の発光面（５０）の対応する発光点（Ｓ１．．．Ｓｍ）があり、各発光点（Ｓ１．．．Ｓｍ）毎に、いくつかの対応する画素（Ｐ１．．．Ｐｎ）がある。

Description

【発明の詳細な説明】３次元画像生成方法及び装置技術分野本発明は、３次元画像生成方法及び装置に関し、特に、３次元画像情報を含むビデオ信号に基づく動画像の生成方法及び装置に関する。本発明は、全ての画像表示の分野に用いることができる。ある面に平面画像を生成する場合、その面内の各点から出射又は反射される光の強さ（及び色）は、全ての方向について略等しい。これは、紙に書かれたもの（反射に基づく）や従来のテレビジョン画像（発光に基づく）の見え方の原理である。一方、立体画像を表示する場合、面上のある点の光の強さ（及び色）は、出射される方向によって異なる。これは、窓ガラスを「表示装置」とみなした場合の原理、あるいはホログラムの動作原理である。すなわち、立体画像を生成するには、画像内の点すなわち画素から出射される光の強さ（及び色）を、出射角に応じて制御することができ、すなわち、出射方向に応じて光の強さを変えることができる発光面が必要となる。背景技術例えば、ホログラムやステレオグラム等、レーザ技術を用いて立体画像を生成する手法が知られている。既知のレーザシステムは、それらが、ビデオ信号に基づく３次元画像の生成には向かないという欠点がある。３次元画像を生成する方法及び装置については、国際特許出願公開番号ＷＯ９４／２３５４１に開示されている。同出願の明細書には、３次元画像を生成する２つの基本的な手法が開示されている。この第１の手法では、変調されたレーザビームを視野を決定する方向に応じて偏向し、及び時間的に制御し、これにより、変調されたレーザビームが所定の入射角で偏向あるいは平行に移動されて所定の画素に入射され、視野を決定する所定の方向に応じて偏向され又はそれ以上偏向されずにその画素から出射するようにする。この手法は、画素から出射されるレーザビームの方向が画素に対する入射角によって決定されるため、レーザビームの集束及び位置決めにかなりの高精度を必要とするという欠点がある。また、第２の手法では、変調されたレーザビームは、偏向されずに画素に到達し、各画素に設けられた制御可能な能動光学素子により、視野方向に応じて時間分解偏向される。この能動光学素子は、光の強さに応じた角度偏向を行う。この手法は、集束及び位置決めの精度がそれほど高くなくてもよいという利点を有するが、一方で、能動光学素子により装置の製造コストが非常に高くなるという問題がある。そこで、本発明は、集束及び位置決めを行う高価な素子を用いることなく、３次元画像情報を含むビデオ信号に基づいて３次元画像を生成する３次元画像生成方法及び装置を提供することを目的とする。また、本発明は、ビーム偏向用の高価な能動素子を用いることなく、高解像度の画面を安価に提供することができる３次元画像生成方法及び装置を提供することを目的とする。発明の開示上述の目的を達成するために、本発明に係る３次元画像生成方法は、３次元画像情報を含むビデオ信号により（好ましくは、空間的にコヒーレントな）光ビームを同時に変調するステップと、変調された光ビームを第１の発光面を形成する画素に指向させるステップと、光ビームの成分を所定の視野角（視野）内の画素から異なる視野３次元画像に対応する強さで方向に出射するステップと、変調された光ビームを視野角における出射各に依存した異なる入射角を形成するように画素に指向させるステップとを有する。変調されたビームから画素への入射角を視野角内における出射角に応じて変更することが本発明の基礎的な手法である。本発明に係る方法では、変調された光ビームは、第１の発光面から所定の距離をもって離間した第２の発光面の１又は複数の発光点から第１の発光面の複数の画素への異なる方向に対応するように向けられる。実際には、この方法における第１の発光面すなわち画面の機能は、分けられており、画像の生成に必要な光ビームは、第２の発光面において生成及び制御されるのに対し、第１の発光面では、水平偏向と垂直分散あるいは拡散のみを行う。本発明の好適な実施の形態においては、発光点の数と、そこから出射される光ビームの数（角分解能）は、それらの積が画素の数と画素から光ビームが出射される方向の数（角分解能）との積に等しくなるように選択される。これにより画像の解像度を決定する画素を第１の発光面に多数配置することができ、３次元効果を施す方向数を適度な数に保つことができると同時に、第２の発光面においては、角分解能が十分高ければ、比較的少ない発光手段で十分であるので、高解像度を維持しながら表示装置の製造コストを抑えることができる。本発明によれば、発光点の数は、１つだけでもよい。さらに、本発明に係る方法は、複数の発光点から複数の異なる画素に向けて同じ方向に出射された光ビームを同じ方向に対応する光情報を用いて同時に変調するステップと、複数の発光点から同じ画素に向かう異なる方向に対応する光ビームを同じ画素の異なる視野方向に対応する光情報を用いて変調するステップとを有する。好ましい実施例においては、第２の発光面上の発光点からの光ビームの出射角は、第１の発光面の画素の視野角（視野）に等しくされる。これにより、表示装置を見る側の視点に応じて角度を修正する必要がなくなる。他の好ましい実施例においては、第２の発光面上の発光点からの光ビームの出射角は、第１の発光面の画素の視野角（視野）より小さく又は大きくされる。この場合さらに、発光点と画素との間の発光点の出射角の角度を修正し、あるいは画素自体における画素の視野角（視野）の角度の修正を行うステップが必要となる。さらに他の具体例においては、第１の発光面の画素から外れる方向に出射された発光点の光ビームを、所定の画素に偏向するミラーを設ける。これにより、画面の縁部やその付近の画素を照明するための発光点を追加する必要がなくなる。また、本発明の目的を達成するために、本発明に係る３次元画像生成装置は、３次元情報を含むビデオ信号によって変調される光源と、所定の視野（視野角）において異なる方向に光ビームを出射及び／又は偏向する１又は複数の光学手段を備える発光面の画素に向けて時間的に制御され、視野を決定する視野方向に対応するとともに画素に対応する偏向手段を備える偏向部とを備える。本発明に係る装置は、発光点を有するとともに、画素を有する発光面から所定の距離だけ離間した第２の発光面を備え、第１の発光面の画素の各方向には、第２の発光面の１つの発光点が対応し、各発光点には、複数の画素が対応する。好ましい実施例においては、本発明に係る装置において、ｔの値を好ましくは１から画素の一列分の数までの値として、発光点から出射される光ビームの方向の数は、画素から出射される光ビームの方向の数のｔ倍であり、発光点の数は、画素の数の１／ｔ倍であり、隣り合う発光点の間の距離は、隣り合う画素の間の距離のｔ倍である。したがって、適度に大きい角分解能を有する発光点を用いることにより、発光点の数を大幅に低減でき、従来の手法に比べて明らかに製造コストを押さえることができる。また、角分解能が上述の基準を満たしていれば、発光点を１つだけにすることもできる。本発明に係る装置の他の実施例においては、発光点は、音響光学手段、ポリゴンミラー、ガルヴァーニミラー、ホログラムディスク、電気光学手段、又は指数可変ＬＣＤのいずれかにより形成され、視野角又は視野を決定する方向に応じて偏向手段を時間分解制御し、必要に応じて、偏向手段と第１の発光面（４０）の間、及び／又は発光面（４０）上に、１又は複数の角度修正素子（Ｄ）を備える。この角度修正素子は、発光点の出射角が画素から出射される光ビームの視野角と同一ではない場合に必要である。他の好ましい実施例においては、時間分解制御される偏向手段は、連続して配列されたＸ軸方向偏向手段及びＹ軸方向偏向手段とを備え、Ｘ軸方向偏向手段は、全ての光ビーム又は複数の光ビーム若しくは個別の光ビームを偏向し、Ｙ軸方向偏向手段は、全ての光ビーム又は複数の光ビーム若しくは個別の光ビームを偏向する。また、他の実施例では、偏向部において、視野角を決定する視野方向に対応して時間分解制御される偏向手段は、空間光変調（ＳＬＭ）手段を有し、空間光変調手段と第１の発光面との間に集束素子を備える。この空間光変調器は、小型の二次元画像生成装置あるいは表示装置とみなすこともでき、その位置依存的な変調が施された光信号は、集束素子により、方向依存的な変調が施された光信号に変換される。さらに他の実施例においては、本発明を適用した装置は、当該偏向がなければ第１の発光面の画素から外れる光ビームを所定の画素に偏向する１又は複数のサイドミラーを備える。また、本発明に係る装置において、第１の発光面は、光ビームを水平方向及び垂直方向に拡散させる１又は複数の回折又は屈折光学素子を備え、水平方向の拡散は、画素から出射される隣り合う光ビームの方向間に形成させる角度の半分から２倍の角度の範囲で行われ、垂直方向の拡散は、水平方向の拡散の角度から１８０°の範囲で行われる。図面の簡単な説明添付の図面は、本発明の実施例を説明するためのものである。図１は、従来の手法を示す図である。図２は、本発明に係る方法を実現する装置の一部を示す図である。図３は、音響光学素子を有する発光点を示すブロック図である。図４は、音響光学素子を備える発光点と発光点の前方に配設された角度修正素子を示すブロック図である。図５は、発光点に角度修正素子と音響光学素子を設けた第１の発光面を概略的に示す図である。図６ａは、第１の発光面を通過して異なる方向に出射される隣り合う２本の光ビームの拡散特性を示す図である。図６ｂは、ホログラフィー角度修正素子が設けられた画素を示す拡大側面図である。図７ａ〜ｂは、マイクロレンズシステムを備える第１の発光面の一部側面図である。図８ａ〜ｃは、レーザ及び変調装置の３つの構成例を示すブロック図である。図９ａ〜ｂは、両側にミラーを設けた装置を示す概略図である。図１０ａは、空間光変調器（ＳＬＭ）を備える発光点を有する装置を示すブロック図である。図１０ｂは、空間光変調器（ＳＬＭ）を２列に配列した状態を示す平面図である。図１１ａは、単一の発光点とサイドミラーを備える装置を概略的に示す図である。図１１ｂは、図１１ａの装置において用いられる発光点のより具体的な実施例を概略的に示す図である。図１２は、本発明に係る装置の好ましい実施例において用いられる光学モジュールを示す概略断面図である。図１３は、光学モジュールにおいて垂直方向に偏向された光ビームを示す概略側面図である。図１４ａ〜ｃは、本発明を適用した３Ｄ画像表示装置の第１の発光面の異なる実施例を示す概略側面図である。図１５は、本発明を適用した３Ｄ画像表示装置の主要な素子の空間的な構成を示す斜視図である。図１６は、図１５に示す３Ｄ画像表示装置の光学モジュールの接続を説明する図である。発明を実施するための最良の形態図１は、本発明に係る３次元表示装置１０のブロック図を示す。３次元表示装置１０は、３次元情報を含むビデオ信号３Ｄを、同期信号ＳＹと、輝度及び色情報を含む信号ＩＮとに分離する分離器１２を備える。同期信号ＳＹは、３次元表示装置１０内の偏向又は走査器（図示せず）を制御する入力信号として用いられ、信号ＩＮは、レーザ及び変調器２０に供給される。レーザ及び変調器２０から出射された光ビームは、適切に配置された画素Ｐ１〜Ｐｎに入射し、さらにこの画素Ｐ１〜Ｐｎから、輝度及び色が異なる光ビームが、異なる方向ｉ１〜ｉｍに出射される。画素Ｐ１〜Ｐｎから出射される光ビーム間の最大角は、視野角（視野）αである。実用的なシステムにおいて、視野角αは少なくとも６０°程度を必要とし、さらに、（平面表示で）少なくとも１５０°〜１７０°の視野角が理想的である。画素Ｐの数については、既存の表示装置と同程度の画素数を備えることが望ましく、通常のテレビジョン画面と同程度の大きさの表示装置においては、少なくとも１００×２００画素、好ましくは２００×３００画素、より好ましくは６００×８００画素程度の画素数が必要である。図２は、個々の画素Ｐ１〜Ｐｎにビームを照射する手法を示す。この図２に示すように、画素Ｐを有する第１の発光面４０の背面側には、第２の発光面５０が配設されている。第２の発光面５０は、発光点Ｓ１〜Ｓｍを有している。任意の１つの発光点Ｓｊは、複数の画素Ｐｋを照射し、すなわち、いくつかの画素Ｐｋに向けた光ビームを発生させる。ここで、隣り合う発光点Ｓ間の距離ｄｓが、隣り合う画素Ｐ間の距離ｄｐに等しいと仮定する。複数の隣り合う方向に出射される光ビームの角度差が１°以下、例えば、１°である場合、数メートル離れた位置から立体（３次元）画像を観察することができる。また、画素Ｐ間の距離ｄｐを１ｍｍ程度又はそれより小さくすれば、画像の細部及びコントラストを鮮明にする良好な解像度が得られる。単純に、視野角を６０°とし、発光点Ｓ１〜Ｓｍの出射角βも６０°であるとすると、１つの発光点Ｓが１°の角分解能を得るためには６０個の画素Ｐを照射する必要がある。画素Ｐ間の距離ｄｐを１ｍｍとすると、６０個の画素Ｐは長さ６ｃｍの線に相当する。この場合、第１の発光面４０と第２の発光面５０との間の距離ｘは、５．２ｃｍ程度である。しかし、各画素Ｐについて６０の異なる出射方向を得るためには、発光点Ｓ１〜Ｓｍの数が、画素Ｐの数に等しくなければならない。この場合、距離ｄｓは、距離ｄｐに等しく、すなわち、ｄｓ＝１ｍｍとする必要がある。発光点Ｓ１〜Ｓｍをこのような間隔で設けることは、実際には困難である。図２に示すように、第１の発光面４０と第２の発光面５０の距離ｘを離すことにより、すなわち、図２において、発光面５０をｘからｘ’に移動させることにより、距離ｄｓを大きくとることができ、実際に発光点Ｓ１’〜Ｓｍ’を配設する場合、実用的な値となる。この場合、以下に説明するように、個々の発光点Ｓ１’〜Ｓｍ’の角分解能を高める必要がある。また、図２からも明らかなように、距離ｘを、例えばこの場合２倍、すなわち距離ｘ’にすると、発光点Ｓ間の距離ｄｓ’も、距離ｄｐの２倍になる。同時に、角分解能を高める必要がある。すなわち、実際には、ある発光点Ｓの隣り合う発光方向間の角度γが狭くなる。また、図２から明らかなように、距離ｘを引き延ばして距離ｘ’にすることによって、第２の発光面５０上の各発光点が変位するために、例えば発光点Ｓｍ−２から画素Ｐｑに向けて出射されていた光ビームは、発光点Ｓｍ−１’ から出射する必要がある。同時に、発光点Ｓｍ−１’は、発光点Ｓｍ−１で出射していたＰｑ＋１への光ビームも引き続き出射しなくてはならない。このように、距離ｄｓが増加することにより、個々の発光点Ｓの角分解能を高めるとともに、発光点Ｓの発光方向数を増加させる必要がある。例えば、距離ｘを５倍に引き延ばすと、必要な角分解能、すなわち、γの最小値は、０．２°となり、供給される方向の数は５×６０＝３００となる。このとき発光点Ｓの間隔は、５ｍｍとすることができ、この間隔は、この手法を実現するにあたって十分な値となる。なお、以下の説明において、発光点の配置に関しては、１方向についてのみ説明するが、ここに説明する手法を水平方向及び垂直方向の両座標に適用すれば完全な立体画像を得ることができる。図３は、発光点Ｓの実際の構成を示す図である。ここでは、レーザＬを用いる。このレーザとしては、レーザダイオードが好ましいが、他のタイプのレーザ、例えば、気体レーザや、固体レーザや、色素レーザ等を用いてもよい。レーザＬの光は、デフレクタＡＯｙにより、好ましい角度でＹ軸に沿って垂直に偏向される。さらに、デフレクタＡＯｘにより水平方向の偏向が行われる。デフレクタＡＯｙ及びＡＯｘは、音響光学素子として周知の技術により形成することができる。しかし、他の好適な光学デフレクタ、例えば、ポリゴンミラーや、ガルヴァーニミラーや、ホログラムディスクや、電子光学素子（例えば、カーセル）や、屈折率可変ＬＣＤ等を用いてもよい。既存の音響光学デフレクタでは、２°程度の比較的小さい偏向しか行えないため、発光点Ｓの出射角βを拡大する必要がある。この拡大は、角拡大器Ｄにより行われる。角拡大器Ｄの実施例を図４に示す。このように、角拡大器Ｄは、従来からある集光レンズ５２及び分散レンズ５４を備える光学装置である。角拡大器Ｄは、通常、適切な開口を有する既存の望遠レンズ装置により構成される。なお、角拡大器Ｄを用いて、開口及び絞り（図示せず）を用いて、デフレクタＡＯにおいて偏向されていない０次の光ビームをフィルタリングすることができる。具体的な実施例では、角拡大器Ｄから出射される光の出射角は、５倍程度に拡大される。すなわち、出射角βは約１０°となる。図５は、互いに隣接して配置された発光点Ｓと、それぞれに対応する角拡大器Ｄを配設し、各発光点Ｓからの光ビームが出射され、それぞれ異なる強度で異なる方向から、第１の発光面４０の各画素Ｐを照射している状態を示す。ここで、角拡大器Ｄにより実際に拡大できる角度は、所望の視野角を得るにはまだ不十分である。したがって、画素Ｐにおいてさらに角度を拡大する必要があり、好適な実施例においては、図７に示すようなマイクロレンズシステムを用いてこの角度の拡大を行う。図６ａに示すように、画素Ｐから方向ｉｋに出射される光ビームと隣り合う方向ｉｋ＋１に出射される光ビームとの間に角度γが形成される。上述のように、角度γの値は１°未満である。しかしながら、画像の連続性を確保するためには、隣り合う方向ｉｋ及びｉｋ＋１に出射されたビームは、少なくとも互いに接している必要がある。したがって、画素Ｐから出射されたビームの拡散角δは、少なくとも角度γ、すなわち、画素Ｐの視野角α内における角分解能と同じか、好ましくは、やや大きくなければならない。このためには、第１の発光面４０に光学素子を設けて、画素Ｐから出射される光ビームに対して確実な拡散δを行う必要がある。なお、この拡散δは、実際には１°程度である。この光学素子は、ホログラフィー素子４２で構成することができる。このホログラフィー素子４２は、図６ａに示すような、１以上の画素Ｐに対応するいくつかの離散的サブ素子として形成してもよく、また、画面全体を覆う単一の光学素子として形成してもよい。Ｙ方向については３次元画像を結像せず、以下に詳細に説明するように、発光点を一列のみに配置した場合、Ｙ方向に沿った必要な分散又は拡散は、図６ｂに示すように、ホログラフィー素子４２により得られる。図７ａ及びｂ７は、上述したように、画面平面においてさらに角拡大を行う実施例を示す。第１の発光面４０には、マイクロレンズシステム４６が取り付けられ、このマイクロレンズシステム４６は、入射光ビームの角度を増大させる。マイクロレンズシステム４６は、既知の手法、例えば、光学級ポリカーボネートあるいは同様の特性を有する他のプラスチックを用いて、製造することができる。また、マイクロレンズシステム４６を、他の拡散層４８を間に設けた２枚のシートとして形成することもできる。拡散層４８は、３次元表示装置１０において立体画像をｘ方向のみに結像する場合、ｙ方向の光ビームを拡散させる。拡散層４８は、従来の光学円柱レンズやホログラフィー素子、あるいは他の既知の手法を用いて形成できる。また、拡散層４８により、ビームの必要な水平（又は垂直）拡散δが得られ、垂直拡散は、さらに別の光学素子を用いて得ることもできる。垂直拡散又は分散の役割については後述する。図８ａ〜８ｃは、レーザ及び変調器２０の内部構造を示す。レーザ及び変調器２０内には、変調制御器２４とデフレクタＡＯｘ及びＡＯｙとを有する変調部２２が設けられている。図８ａに示す好ましい実施例においては、各レーザ毎に独立したデフレクタＡＯｘ及びＡＯｙが設けられている。各デフレクタは、共通の変調制御器２４に接続されている。変調制御器２４は、主に、３次元情報を含む信号ＩＮに応じて個々のデフレクタを制御するとともに、出射光の強さを適切な発光方向の関数とし、これにより、画素Ｐが異なる方向から見られた場合に所望の画像が結像される。図８ｂは、好ましくは大型の音響光学単結晶により形成された大型の共通のデフレクタＡＯｘ及びＡＯｙによって全てのレーザＬの光を偏向及び変調する手法を示す。この手法は、変調制御器２４の構成を簡素化できるという利点がある。しかしながら、この手法には、発生した超音波が音響光学結晶全体を横断するのに十分な時間を得るためには、２つのレーザを変調するのに同じ時間が必要であり、よって装置の処理速度が低速になってしまうという問題がある。音響光学結晶の大きさが大きすぎると、装置の処理速度は、許容できないほど低速なものとなってしまう。これらの折衷案として、例えば図８ｃに示すように、複数のあまり大きくない結晶をデフレクタＡＯｘ及びＡＯｙとして用いて、１つのデフレクタに複数のレーザＬの光を偏向させるようにする。図８ｃに示すように、複数のｘ又はｙ方向デフレクタＡＯを、１つの共通のｘ又はｙ方向デフレクタＡＯとともに用いることもできる。なお、ｘ又はｙ方向デフレクタは、必ずしも同じ原理で動作する必要はない。変調部ブロック２２において、１以上の音響光学デフレクタと、多角ミラーやガルヴァーニミラーやその他の原理に基づく１以上のデフレクタとを容易に組み合わせて用いることができる。また、図５に示すように、第１の発光面４０の縁部側に配置された画素Ｐには、十分な数の発光点Ｓの光ビームが到達しない。この問題は、外側の画素Ｐを越えて発光点Ｓを配置することにより解決することが可能である。しかしながら、これにより、３次元表示装置１０の幅が大きくなり、また外側の発光点Ｓの能力が完全には使用されないといった問題が生じる。この問題を解決する本発明の改良実施例を、図９ａ及び９ｂに示す。この実施例では、第１の発光面４０と第２の発光面５０との間の空間をミラーＭにより閉塞している。このようにして、外側の発光点Ｓ、例えば、点Ｓ１及びＳ２の光ビームは、ミラーＭに反射されて縁部付近の画素Ｐ、例えば画素Ｐ１に入射する。なお、これらの光ビームは、使用される角間隔の外側に出射されるので、このような構成によらなければ、使用できなかった光ビームである。図９ａに示すように、反射されるビームは、仮想の発光点Ｓ１’ 及びＳ２’から画素Ｐ１に出射されているように見える。好ましい他の実施例においては、発光点Ｓから出射されたビームが、１つのミラーＭだけでなく両方のミラーＭから反射され、必要ならば多重反射を行うようなビームの軌道を実現することもできる。このような多重反射を行うビームは、図１１ａに示されている。図９ｂに示す例では、発光点Ｓの数は、画素Ｐの数よりかなり少なくてもよい。極端な場合、ただ１つの発光点かＳから全ての画素Ｐに対する照射を行うこともできる。ここで、上述の説明から明らかであるが、単一の発光点Ｓに対応する画素Ｐの数が増加すれば、発光点Ｓから出射される光ビームの方向（方向角）の数を増加させる必要がある。このためには、角分解能が一定である場合、発光点Ｓの出射角βを大きくする必要があり、出射角βが一定である場合、角分解能を高める必要がある。もちろん、角分解能を高めるとともに出射角を大きくしてもよい。図１０ａ及び図１０ｂは、３次元表示装置１０における発光点の他の実施例である。この実施例では、いわゆる空間光変調器（Spatial Light Modulator：ＳＬＭ）をデフレクタとして用いる。例えばレーザ（図示せず）等の好適な光源から、このデフレクタＳＬＭに光ビームが照射される。デフレクタＳＬＭの拡張面から異なる方向に反射された光ビームは、既知の光学系装置、この実施例では収束手段６０により画素Ｐに照射される。集束手段６０としては、例えば投射レンズ等を用いることができる。デフレクタＳＬＭとしては、既存の装置を用いることができる。これらの装置において、各装置の幅は、実際に機能する有効な面の幅より通常大きいため、必要な数のデフレクタＳＬＭを１列に配列できない場合がある。この問題は、例えば図１０ｂに示すように、デフレクタＳＬＭを２列（又はそれ以上）に配列し、各列から出射する光ビームを適切な光学系装置によって共通の平面に照射させるようにすることで解決できる。デフレクタＳＬＭは、例えば二次元画像を供給する小型表示装置と見なすこともできる。しかし、個々のデフレクタＳＬＭから供給される「画像」は、実際のどの画像にも対応しない画像セグメントの集合である。この画像セグメントは、異なる画像、すなわち、３次元画像生成の際、対象物を異なる視点から観察して得られた画像信号を表す。この装置は、この画像セグメント、すなわち投影により得られた２次元画像を合成して単一の３次元画像を形成し、表示画面をある角度から見たとき、その角度から対象物を観察して得られた２次元画像に対応する画像セグメントが観察されるようにする。上述のように、１つの発光点Ｓのみを用いて、各画素Ｐ、すなわちｎ個の画素Ｐの全てに対して所望の数の方向から光ビームを照射する３次元表示装置１０を構成することもできる。図１１にその例を示す。上述したとおり、光ビームをそれぞれの画素Ｐから異なる強さで異なるｋ個の方向に出射しなければならないとすると、この単一の発光点Ｓは、ｋ×ｎ個の方向に光を出射する必要がある。このような角分解能あるいは出射角は、音響光学原理に基づくデフレクタ手段では得ることができない。したがって、例えば図１１ｂでは、ｘ方向の偏向を行うポリゴンミラー６２と、ｙ方向の偏向を行うポリゴンミラー６４とを設けている。ポリゴンミラー６２，６４に反射されたビームは、既知の光学系素子６６により、所望の特性を有する画像を形成する。本発明の構成を既知の手法と組み合わせることにより、３Ｄ画像生成装置において必要なデータ量あるいは用いられる素子の数を容易に低減することができる。例えば、一方の座標軸に対しては立体効果を生じさせる処理を行わないという手法がある。立体画像の知覚は、主として水平方向の画像の差異によって生じるもであるため、このような手法をとることができる。これは、左右の目により決定する平面は、通常水平であり、対象物の視野角による差異は、ほとんど水平方向にしか感知されないという事実に基づいている。このため、垂直方向の視差を省略でき、したがって転送する情報量を大幅に低減することができる。なお、本発明を用いて、垂直及び水平の両方向において立体画像を形成することもできる。視野角を狭くし、又は識別できる方向の数を実際に処理可能で実現可能な値に低減することにより、転送及び処理される情報量をさらに低減することができる。実験により、視野角を３０°〜４０° とし、視野方向間の角度差を１°〜２ °として立体（３次元）画像を形成しても、十分許容できる画質が得られることが見出された。Ｙ軸に沿った３Ｄ効果を省略すれば、発光点Ｓを一列に配設しやすくなる。すなわち、この場合、発光点Ｓの垂直方向の寸法の自由度が増し、発光点Ｓは、比較的狭幅で高さのある光学モジュールとして実現することができる。これら光学モジュールを互いに近接して配置し、これにより発光点Ｓの列を形成する。このような光学モジュールＯの具体例を図１２に示す。このように光学モジュールＯを平坦で細長い金属ブロックに収納し、光学及び電子素子をおよそ１平面上に配置し、光学モジュールＯをできるだけ狭幅にすることにより比較的多数のモジュールを配設することができる。この実施例では、図１２に示す６０個のモジュールを約１ｃｍおきに配設している。光学モジュールＯは、全て同じ構造を有している。すなわち、光学モジュールＯは、光源Ｌと、デフレクタＡＯｙ及びＡＯｘと、角拡大光学部品を備える。光源Ｌはレーザダイオードであり、デフレクタＡＯｙ及びＡＯｘは音響光学装置である。レーザダイオードとデフレクタＡＯｙ及びＡＯｘは、駆動回路ＤＲＣにより制御されている。デフレクタＡＯｙから出射する光ビームは、角拡大器を通過する。この角拡大器は、望遠レンズシステムＴと、１又は複数の開口Ａと備えている。また、角拡大器は、円柱レンズを有し、音響光学変調装置の非対称偏向特性を修正する。望遠レンズシステムＴに設けられた開口Ａは、音響光学デフレクタにおいて変調されていない０次光をフィルタリングして取り除き、望遠レンズシステムＴの分解能を向上させる。出射された光ビームは、モジュールＯの上端において、偏向ミラーＤＭにより第１の発光面、すなわち、画面に向けて偏向される。光学モジュールＯ１．．．Ｏｍは、その底部に設けられたコネクタＣを介して、電子制御部品ＣＥを搭載するメインボードＭＢに電気的に電子的に接続されている。音響光学変調器を効率的に冷却する必要があるため、光学モジュールＯ１．．．Ｏｍの本体は、光学素子に強固なベースを提供するとともに、良好な熱放散性を有する、例えば高級アルミニウム等の剛性金属により形成するとよい。垂直視差を省略する場合、水平方向においては、入射した光ビームを適切に変更するか、あるいはそのまま透過させ、一方、垂直方向においては、光ビームの進路を含む垂直平面に光を分散させる光学素子を画素内に配設するとよい。これにより、画像を見ることができる範囲は、水平方向の細い帯状の範囲に限定されることなく、事実上、ユーザの目の高さに関わらず光ビームを見ることができるようになる。このような特性を有する分散は、水平軸を有するホログラフィー光学素子あるいは円柱光学素子を用いて実現することができる。この手法については国際出願公開番号ＷＯ９４／２３５４１に開示されている。画面から出射された光ビームを垂直方向に分散するにあたり、さらに解決すべき問題がある。図１３に示すように、画面に入射し、視野に出射される光ビームの分散は均質なものではない。第１に、中心の光ビームは、側部に分散される光ビームより常に強い。第２に、この明るい中心のビームは、画面上の画素の位置に応じて、異なる方向に照射される。したがって、画面の背後にある相対的に明るい発光点（すなわち、偏向ミラーＭに反射される望遠レンズの出射瞳孔）の列がユーザから見えてしまうこととなる。このような好ましくない現象のを防ぐためには、画面上にさらに角度修正素子を設ける必要がある。この角度修正素子は、光学モジュールＯの垂直方向に偏向された光ビームを、画面（第１の発光面４０）上の分散手段に平行に入射させることである。このような効果を得るための実施例を図１４ａから図１４ｃに示す。図１４ａに示す実施例では、光ビームは、ホログラフィースクリーンによって垂直方向に分散され、ホログラムＨ１は、第１の発光面４０上に直接設けられている。水平方向に設けられた円柱フレネルレンズスクリーンＦＬは、垂直方向に拡散する光ビームを平行な光ビームに変換する。このフレネルレンズスクリーンＦＬは、第１の発光面４０の背面側に配設されている。図１４ｂに示す他の実施例では、ホログラフィースクリーンとフレネルレンズスクリーンとを組み合わせて用いている。この場合、同じ第１の発光面４０、すなわち、装置の画面の、外側（ユーザ側）の面には、ホログラフィー面構造体Ｈ２が設けられており、内側（光学モジュール側）の面には、水平方向の円柱フレネルレンズスクリーンＦＬＳが設けられている。これらの構造を有する面の製造には、例えばエンボス、モールド、エッチング等の既知の手法を用いることができる。図１４ｃは、結合型のホログラフィーＨ３を有する第３の実施例を示す図である。この例では、結合型のホログラフィースクリーンＨ３は、光ビームの垂直方向への分散と、必要な拡散方向から平行方向への訂正の両方を行う。図１５は、本発明の実施の形態である３Ｄ表示装置のにおける光学系の各素子の空間的配置を示す図である。発光点として機能する光学モジュールＯ１〜Ｏｍは、偏向ミラーＤＭが装置の前面側に配置された画面に対して光ビームを照射する、望遠レンズシステムＴの出射開口を上に向けて、互いに近接して平行に積層した状態で、装置の後側に一列に配置されている。照射空間の両側は、２枚の三角形状のミラーＭにより閉塞されている。光学系の下方には、制御電子部品ＣＥと電源ＰＳが配設されている。電源ＰＳは、制御電子部品CEと、光源Ｌと、光学モジュールＯ１〜Ｏｍ内の音響光学変調器ＡＯｘ及びＡＯｙとに電力を供給する。光学モジュールＯ１〜Ｏｍは、制御電子部品ＣＥ（図１５には図示せず）が設けられた共通のメインボードＭＢ上に搭載され、コネクタＣによりメインボードＭＢに電子的に接続されている。図１６は、メインボードＭＢとコネクタＣと光学モジュールＯとの物理的構成を示す図である。周知の手法を用いてカラー表示が可能な表示装置を構成することもできる。例えば、３原色（赤、青、緑）を発光する発光点Ｓを設け、既知の光学的手法を用いて、デフレクタＡＯの前段又は後段、若しくは角拡大器Ｄの後段において、異なる色の光ビームを混合すればよい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０３Ｂ 35/00 Ｇ０３Ｂ 35/00 Ｚ (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．３次元画像を生成する３次元画像生成方法であって、（好ましくは空間的にコヒーレントな）光ビームを、３次元画像情報を含むビデオ信号により同時に変調するステップと、変調された上記光ビームを、第１の発光面を形成する画素（画像点）に指向させるステップと上記光ビームの成分を所定の視野角（視野）内の画素から異なる視野方向に３次元画像に対応する強さで出射するステップと、上記変調された光ビームを上記視野角における出射角に依存した異なる入射角を形成するように上記画素に指向させるステップとを有し、上記変調された光ビームは、上記第１の発光面から所定の距離をもって離間した第２の発光面の１又は複数の発光点から上記第１の発光面の複数の画素への異なる方向に対応するように向けられることを特徴とする３次元画像生成方法。２．上記発光点の数と、そこから出射される光ビームの数（角分解能）は、それらの積が画素の数と画素から光ビームが出射される方向の数（角分解能）との積に等しくなるように、選択されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の３次元画像生成方法。３．上記複数の発光点から上記複数の異なる画素に向けて同じ方向に出射された光ビームを上記同じ方向に対応する光情報を用いて同時に変調するステップと、上記複数の発光点から同じ画素に向かう異なる方向に対応する光ビームを上記同じ画素の異なる視野方向に対応する光情報を用いて変調するステップとを有することを特徴とする請求の範囲第２項に記載の３次元画像生成方法。４．上記第２の発光面上の発光点からの光ビームの出射角は、上記第１の発光面の画素の視野角（視野）に等しくされることを特徴とする請求の範囲第２項又は第３項に記載の３次元画像生成方法。５．上記第２の発光面上の発光点からの光ビームの出射角は、上記第１の発光面の画素の視野角（視野）より小さく又は大きくされることを特徴とする請求の範囲第２項又は第３項に記載の３次元画像生成方法。６．上記発光点と上記画素との間において、上記発光点からの光ビームの出射角に角修正を施すか、又は、上記画素において該画素の視野角に角修正を施すことを特徴とする請求の範囲第５項に記載の３次元画像生成方法。７．ミラーを用いて上記第１の発光面の画素から外れる方向に出射された発光点の光ビームを所定の画素に入射するよう偏向することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第６項いずれか１項に記載の３次元画像方法。８．３次元情報を含むビデオ信号によって変調される光源（Ｌ）と、所定の視野（視野角α）において異なる方向（ｉ１．．．ｉｎ）に光ビームを出射及び／又は偏向する１又は複数の光学手段を備える発光面（４０）の画素（Ｐ１．．．Ｐｎ）に向けて時間的に制御され、上記視野（視野角α）を決定する視野方向に対応するとともに画素に対応する偏向手段を備える偏向部とを備え、３次元画像を生成する３次元画像生成装置であって、発光点（Ｓ１．．．Ｓｍ）を有するとともに、上記画素（Ｐ１．．．Ｐｎ）を有する発光面（４０）から所定の距離だけ離間した第２の発光面（５０）を備え、上記第１の発光面（４０）の画素（Ｐ１．．．Ｐｎ）の各方向（ｉ１．．．ｉｎ）には、上記第２の発光面（５０）の発光点（Ｓ１．．．Ｓｍ）の１つが対応し、各発光点（Ｓ１．．．Ｓｍ）には、対応する画素（Ｐ１．．．Ｐｎ）が複数個対応することを特徴とする３次元画像生成装置。９．ｔの値を好ましくは１から上記画素（Ｐ１．．．Ｐｎ）の一列分の数までの値として、上記発光点（Ｓ１．．．Ｓｍ）から出射される光ビームの方向の数（角分解能）は、上記画素（Ｐ１．．．Ｐｎ）から出射される光ビームの方向の数のｔ倍であり、上記発光点（Ｓ１．．．Ｓｍ）の数は、上記画素（Ｐ１．．．Ｐｎ）の数の１／ｔ倍であり、隣り合う上記発光点（Ｓ１．．．Ｓｍ）の間の距離は、隣り合う画素（Ｐ１．．．Ｐｎ）の間の距離のｔ倍であることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の３次元画像生成装置。１０．上記発光点（Ｓ１．．．Ｓｍ）は、音響光学手段、ポリゴンミラー、ガルヴァーニミラー、ホログラムディスク、電気光学手段、又は指数可変ＬＣＤのいずれかにより形成され、視野角（α）又は視野を決定する方向に応じて上記偏向手段を時間分解制御し、必要に応じて、上記偏向手段と上記第１の発光面（４０）の間、及び／又は上記発光面（４０）上に、１又は複数の角度修正素子（Ｄ）を備えることを特徴とする請求の範囲第８項又は第９項に記載の３次元画像生成装置。１１．時間分解制御される上記偏向手段は、連続して配列されたＸ軸方向偏向手段（ＡＯｘ）及びＹ軸方向偏向手段（ＡＯｙ）とを備え、上記Ｘ軸方向偏向手段は、全ての光ビーム又は複数の光ビーム若しくは個別の光ビームを偏向し、上記Ｙ軸方向偏向手段は、全ての光ビーム又は複数の光ビーム若しくは個別の光ビームを偏向することを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の３次元画像生成装置。１２．複数の上記時間分解制御偏向手段と上記光源（Ｌ）は、それぞれ略同一の構造を有する光学モジュール（Ｏ１．．．Ｏｍ）に収納され、該光学モジュール（Ｏ１．．．Ｏｍ）は、一列に配列され、メインボード（ＭＢ）及び／又は制御電子部品（ＣＥ）に接続されることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の３次元画像生成装置。１３．上記各光学モジュール（Ｏ１．．．Ｏｍ）は、光源駆動部に接続されて光軸を形成する光ビームを生成する光源（Ｌ）と、共に偏向制御部に接続されるとともに上記光軸上に配置されたＸ軸方向偏向手段（ＡＯｘ）及びＹ軸方向偏向手段（ＡＯｙ）と、円柱光学素子と好ましくは望遠レンズ（Ｔ）と開口（Ａ）とを有する角度修正素子と、を備える偏向修正手段と、上記第１の発光面（４０）に向けて光ビームを偏向する偏向ミラー（ＤＭ）とを備えることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の３次元画像生成装置。１４．上記偏向部において、上記視野角（視野）を決定する視野方向に対応した時間分解制御される偏向手段は、空間光変調（ＳＬＭ）手段を有し、上記空間光変調手段と上記第１の発光面との間に集束素子を備えることを特徴とする請求の範囲第８項又は第９項に記載の３次元画像生成装置。１５．当該偏向がなければ上記第１の発光面（４０）の画素から外れる光ビームを所定の画素（Ｐ）に偏向するサイドミラー（Ｍ）を備えることを特徴とする請求の範囲第８項乃至第１４項のいずれか１項に記載の３次元画像生成装置。１６．上記光ビームを偏向するサイドミラー（Ｍ）は、ほぼ三角形状であることを特徴とする請求の範囲第１５項記載の３次元画像生成装置。１７．上記第１の発光面は、上記光ビームを水平方向及び垂直方向に拡散させる１又は複数の回折又は屈折光学素子を備え、上記水平方向の拡散は、上記画素から出射される隣り合う光ビームの方向間に形成させる角度の半分から２倍の角度の範囲で行われ、上記垂直方向の拡散は、上記水平方向の拡散の角度から１８０°の範囲で行われることを特徴とする請求の範囲第８項乃至第１６項のいずれか１項に記載の３次元画像生成装置。１８．上記第１の発光面（４０）は、上記光源（Ｌ）により出射されて上記第１の発光面（４０）に対してそれぞれ異なる角度で入射する光ビームのそれぞれが上記発光面（４０）を平行に通過するように、該光ビームの垂直方向の進路を修正する発散修正手段を備えることを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の３次元画像生成装置。１９．上記発散修正手段は、ａ）上記第１の発光面（４０）の背面側に配置された円柱フレネルレンズ（ＦＬ）、ｂ）一方の面に垂直分散ホログラフィー構造体（Ｈ２）を備え、他方の面に円柱フレネルレンズ（ＦＬ）が形成された第１の発光面（４０）、ｃ）複合分散及び拡散修正ホログラフィー構造体（Ｈ３）を備える発光面（４０）のいずれかを備えることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の３次元画像生成装置。