JP2001145127A

JP2001145127A - ３次元画像表示装置

Info

Publication number: JP2001145127A
Application number: JP32216999A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Suda; 俊一須田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】あらゆる画像表示装置に応用可能で且つ真の
３次元画像を表示する装置を提供する。【解決手段】３Ｄ画像情報に対応した入力信号が各発
光素子1-1，…，1-nに入力され、該各発光素子1-1，
…，1-nから出射光ビームが出射される。これらの出射
光ビームは、画面に垂直に発せられ、全体として画面に
垂直な平行光線群となって例えば剣山の針のように前面
に出射される。各発光素子1-1，…，1-nに対応する画素
群の直線は全て重ね合わせられ、３Ｄ画像全体が均等に
多重に覆い尽くされる。そして、散乱層２から取り出さ
れる各点の「ピンホール光群」により、３Ｄ画像の各画
素が均質に重複表示され、３Ｄ画像が模擬的に再現表示
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、あらゆる画像表示
装置に応用可能な真の３次元画像（以下、「３Ｄ画像」
という）を表示する３Ｄ画像表示装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、３Ｄ画像表示装置としては、例え
ば、次の（１）〜（３）のようなものがあった。（１）疑似的３Ｄ画像表示装置疑似的３Ｄ画像表示装置は、眼鏡型の３Ｄ画像表示装置
であり、眼前に置かれた液晶等の発光画面を光学系によ
って視認距離に追いやって見るものであり、左右の目の
それぞれに異なった平面画像を送り込むことにより、両
眼視差を利用して立体感を実現する疑似的な立体視を得
るものである。（２）可視レーザ光で網膜に直接描画する装置この装置は、１本の可視レーザ光を直接瞳孔に送り込
み、網膜上に描画する装置である。（３）ホログラフィホログラフィは、干渉縞による光情報を再現する装置で
あり、原情報に忠実な画像の再現が可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の３Ｄ画像表示装
置では、次のような課題があった。従来の３Ｄ画像表示
装置では、３次元物体から発せられる視覚情報を光学機
器で受け、この視覚情報をスクリーン上に投影結像する
ことによって得られる平面画像を表示している。この原
理的には投影図といわれる平面画像は、実際に３次元物
体の自然な表示画像であると感じられる。そして、その
表示画像が極めて自然なので、平面画像から与えられる
視覚情報と真の３次元物体からの視覚情報との間には強
い関連以上の共通性があるように見えるが、そのような
一般的な感覚に反して、平面画像の視覚情報と３次元物
体の視覚情報とは、非常に異なっている。それほど異な
った視覚情報が自然に半ば同一視されるのは、眼球から
脳の視覚野にいたる視覚システムの中に、３次元物体か
らの視覚情報を平面画像の視覚情報に縮約して受け取る
網膜という構造が含まれているためである。

【０００４】立体視に関する従来技術は、平面画像の視
覚情報を再構築し、視覚システムの錯覚を利用しつつ立
体映像を作り出すことが主流になっている。ところが、
それは、あくまでも疑似的立体視に止まるものであり、
真の立体画像ではない。又、前記可視レーザ光で網膜に
直接描画する装置は、大型であり、実用的ではない。ホ
ログラフィは、動画像を表示することが困難であり、更
に、装置を小型軽量に構成することが困難である。そこ
で、本発明は、３次元物体の視覚情報をそのまま模する
ことによって真の３Ｄ画像の動画像を表示する小型軽量
の装置を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明のうちの請求項１に係る発明は、３Ｄ画像表
示装置において、集積配置された複数の発光素子を有
し、３Ｄ画像情報に対応した入力信号を入力して該入力
信号に対応した単一指向性の平行光線群を発生する発光
層と、前記平行光線群の各光線をそれぞれ異なった方向
へ散乱させて固定的（又は可変的）指向性を有する出射
光ビーム群を出射する散乱層とを、備えている。請求項
２に係る発明では、３Ｄ画像表示装置において、集積配
置された複数の発光素子を有し、３Ｄ画像情報に対応し
た入力信号を入力して該入力信号に対応した単一指向性
の平行光線群を発生する発光層と、前記平行光線群の各
光線をそれぞれ異なった方向へ散乱させて固定的（又は
可変的）指向性を有する出射光ビーム群を出射する散乱
層と、前記各発光素子が表示を受け持つ３Ｄ画像の画素
群を指示するデータを該各発光素子毎に全素子にわたっ
て保持する保持手段とを、備えている。請求項３に係る
発明では、前記各発光素子は、可視光を発生する半導体
レーザ素子で構成している。請求項４に係る発明では、
前記散乱層は、前記各発光素子から発生した平行光線群
をそれぞれ異なった方向へ散乱させて送出するプリズム
又はレンズで構成している。請求項５に係る発明では、
前記散乱層は凹レンズ又は凸レンズで構成され、前記各
発光素子から発生した平行光線群を前記凹レンズ又は凸
レンズの焦点を始点とする直線状に拡散放射させて３Ｄ
画像を表現する光線群を発生するようにしている。請求
項６に係る発明では、３Ｄ画像表示装置において、或る
一つの点から離れるに従って相似的に拡大される物体の
倒立像を表示する光線群を発生する装置を単位発光装置
とし、これを複数集積することによって構成している。

【０００６】

【発明の実施の形態】図２は、本発明の基本原理を説明
する図である。実際の３次元物体からの視覚情報を考え
るために、素通しの画面枠を通して３次元物体及びその
背景を見ている場合を想定する。３次元物体からの視覚
情報は、この３次元物体の表面から発して画面枠を通過
する全ての光線の集合である。図２に示すように、画面
枠を通過する光線の集合のうちで、画面枠内の或る点Ｐ
を通過する光線は無限にあるが、そのうちの特定の１本
の光線ｑに着目すると、光線ｑは、背景を含む３次元物
体の表面の或る特定の点Ｑから発したものであり、この
点Ｑの情報を担っている。点Ｑは、点Ｐから出射された
光線の行路を画面枠の背後空間に向かって逆にたどって
行き、３次元物体と最初に交わる点として得られる。点
Ｐを通過する光線の他の１本の光線ｒは、３次元物体の
表面の他の点Ｒから出射され、この点Ｒの情報を担って
いる。

【０００７】このようにして点Ｐを通過する光線全体を
考えると、それらは例えばピンホールカメラのピンホー
ルを通過する光線群のように、通過した点Ｐから離れる
に従って相似的に拡大してゆく物体の倒立像を表示する
光線群になっている。即ち、点Ｐを通過し且つ点Ｐから
発する光線群は、それだけで３次元物体全体にわたる画
像情報を含んでいる。この光線群を点Ｐにおける「ピン
ホール光群」と表現すると、素通しの画面枠を通して３
次元物体を見ているときの自然な視覚情報は、画面枠内
の各点において少しずつ異なった角度からそれぞれ独立
に３次元物体を表現している「ピンホール光群」を、画
面枠内の全ての点にわたって重ね合わせたものと考える
ことができる。

【０００８】図３は、本発明の３Ｄ画像表示装置の概念
を説明する図である。この３Ｄ画像表示装置では、画面
の背後に広がっていると仮想される３次元空間の３Ｄ画
像が、画面の発光光線群によって表示される。１つの発
光素子Ｐの発光行路は、その発光素子Ｐに対応した画面
表面から各発光素子に固有の傾きをもって伸びる１本の
半直線であって、前面の散乱層２のプリズムの状態によ
って固定的（又は可変的）に定められている。そこで、
特定の１つの発光素子Ｐが表示すべきデータは、その発
光素子Ｐに固有に定まっている半直線を逆方向に延長し
た直線が通過する３Ｄ画像内の画素群｛Ｐ｝の中から得
られる。即ち、発光素子Ｐには、表示すべき画素の集合
として３Ｄ画像内の１本の直線で表される画素群｛Ｐ｝
が対応している。なお、（又は可変的）とは、可変的で
あってもよいとの意である。

【０００９】３Ｄ画像を表示するには、３Ｄ画像に含ま
れる３次元物体の形状抽出等の処理を行い、発光素子Ｐ
が表示すべきデータを計算する。例えば、発光素子Ｐに
対応する画素群｛Ｐ｝の直線が３次元物体を貫いていれ
ば、その直線上で３次元物体の表面を示す画素が特定さ
れる。３次元物体が不透明ならば、発光素子Ｐはこの画
素データを表示すればよい。この場合、３次元物体の半
透明表示も可能である。このようにして、各発光素子Ｐ
に対応する画素群｛Ｐ｝を予め保持手段（例えば、リー
ドオンリメモリ、以下、「ＲＯＭ」という）等に保持し
ておけば、与えられた３Ｄ画像情報に応じて全ての発光
素子に対する入力信号が求められる。

【００１０】第１の実施形態図１は、本発明の第１の実施形態の３Ｄ画像表示装置を
示す概略の構成図である。この３Ｄ画像表示装置は、発
光層１及び該発光層１の表面に設けられた散乱層２を備
えている。発光層１は、集積配置された単一指向性の複
数の発光素子（例えば、可視光を発生する半導体レーザ
素子）1-1，…，1-nを有し、３Ｄ画像情報に対応した入
力信号を入力して単一指向性の平行光線群を発生するも
のである。散乱層２は、全ての発光素子1-1，…，1-nか
ら一旦画面に垂直な方向にそろえて発せられた各出射光
ビームを、それぞれ異なった方向へ散乱させ、固定的指
向性を有する出射光ビーム群を出射する微小なプリズム
又はレンズの層である。散乱層２は、均質なランダム性
を有する構造、或いは予め設計された散乱を実現する特
定の形態の構造になっている。

【００１１】発光素子1-1，…，1-nの集積密度は十分高
く（例えば、２次元画像の画素数の１００〜１０００
倍）、且つ散乱層２による散乱は均質なランダム性を有
している。そして、各発光素子1-1，…，1-nに対応する
画素群の直線は、３Ｄ画像内にランダムに配置されてい
る。ランダムな散乱層２を形成する方法としては、レン
ズ用のガラスやプラスティックの微粒子（例えば、１μ
ｍφ程度）を発光層１に塗布したり、或いは同じ材料の
薄膜を表面処理して例えば磨りガラス状に形成する方法
等がある。又、製造ラインの最終工程で、各発光素子1-
1，…，1-nに対応する画素群の直線が確定される。この
場合、例えば、画面から一定距離の位置に平行にＣＣＤ
受光器を設け、発光素子1-1，…，1-nの出射光の出射位
置と受光位置とのずれを実測することにより、発光素子
1-1，…，1-nに対応した画素群の直線の方程式の係数が
求められる。これらの係数は、図示しない保持手段（例
えば、ＲＯＭ）に保持されるようになっている。

【００１２】次に、図１の動作を説明する。この３Ｄ画
像表示装置では、３Ｄ画像情報に対応した入力信号が各
発光素子1-1，…，1-nに入力され、該各発光素子1-1，
…，1-nから出射光ビームが出射される。これらの出射
光ビームは、画面に垂直に発せられ、全体として画面に
垂直な平行光線群となって例えば剣山の針のように前面
に出射される。この場合、３次元物体を覗き見る画面枠
内の有限個の点が発光素子1-1，…，1-nに置き換えられ
ていると見做してよい。そして、散乱層２から取り出さ
れる各点の「ピンホール光群」の１本の光線によって各
発光素子1-1，…，1-nに対応する画素群の直線は全て重
ね合わせられ、３Ｄ画像全体が均等に多重に覆い尽くさ
れることにより、３Ｄ画像が模擬的に再現表示される。

【００１３】又、この３Ｄ画像表示装置では、個々の装
置のＲＯＭに保持されているデータ（以下、「ＲＯＭデ
ータ」という）は、例えば人の指紋のように、各装置の
個別認証用データになっている。そして、ＲＯＭデータ
を暗号化鍵として３Ｄ画像情報の原データを変換した暗
号化入力信号は、各装置に固有のものであり、装置の画
面を通さない限り、この原データを復元することが困難
なので、この３Ｄ画像表示装置全体が一種の公開鍵暗号
システムとして動作する。そのため、例えば、ゲーム機
のメーカーでこの３Ｄ画像表示装置を備えたゲーム機が
製作された場合、このゲーム機のメーカーは、３Ｄ画像
ソフトウェアに暗号化入力信号を組み込むこと等によ
り、ソフトウェアの販売等を各製品毎に管理できる。

【００１４】以上のように、この第１の実施形態では、
３次元物体を覗き見る画面枠内の有限個の点が発光素子
1-1，…，1-nに置き換えられ、各点の「ピンホール光
群」の中から１光線づつ取り出されて３Ｄ画像が模擬的
に再現表示されるようにしたので、３次元物体からの視
覚情報の特定の一部分が取り出され、そのまま模擬的に
再現した光情報が出力される。そのため、真の３Ｄ画像
が表示でき、且つ３Ｄ画像の自然な動画像が表示できる
と共に装置を小型軽量にできる。

【００１５】第２の実施形態図４は、本発明の第２の実施形態の３Ｄ画像表示装置を
示す概略の構成図である。この３Ｄ画像表示装置は、３
Ｄ画像（例えば、「ピンホール光群」）を表示できる光
線群を発生する単位発光装置10-i（i=1,…,m）が集積さ
れて構成されている。即ち、この装置の画面は、例えば
昆虫の複眼のように、蜂巣状或いは格子状の領域に区切
られ、これらの各領域の散乱層2-iが１つの凹レンズ状
又は凸レンズ状に成型されている。

【００１６】この３Ｄ画像表示装置では、単位発光装置
10-i（i=1,…,m）に含まれる複数の発光素子群1-iから
発せられた光線群は、あたかもその領域を覆っているレ
ンズの焦点Ｆから発せられたように拡散してゆく。する
と、これらの光線群は、焦点Ｆをピンホールとして３Ｄ
画像を表示するきめの粗い１つの「ピンホール光群」を
作る。画面枠内の全ての点における「ピンホール光群」
は、重ね合わされて３次元物体の視覚情報になる。

【００１７】以上のように、この第２の実施形態では、
「ピンホール光群」を発する１領域を単位発光装置とし
てこれを多数集積したので、３次元視覚情報を模擬的に
再現する装置が実現できる。

【００１８】第３の実施形態図５（ａ），（ｂ）は、本発明の第３の実施形態の３Ｄ
画像表示装置を示す概略の構成図であり、同図（ａ）は
単位発光装置の構成図、及び同図（ｂ）が同図（ａ）の
単位発光装置を複数集積した装置の構成図である。この
３Ｄ画像表示装置は、図５（ａ）に示すように、球状に
形成された単位発光装置20-i（i=1,…,m）を有してい
る。単位発光装置20-i（i=1,…,m）は、球の中心Ｃを共
通の始点として複数の可視レーザ光を発生する多軸レー
ザ素子で構成され、３Ｄ画像情報に対応した入力信号を
入力して３Ｄ画像（例えば、「ピンホール光群」）を表
示できる光線群を発生するものである。そして、図５
（ｂ）に示すように、単位発光装置20-i（i=1,…,m）が
複数集積されて３Ｄ画像表示装置が構成されている。

【００１９】この３Ｄ画像表示装置では、単位発光装置
20-i（i=1,…,m）の中心Ｃから発せられた光線群が拡散
し、これらの光線群によって３Ｄ画像を表示するきめの
粗い１つの「ピンホール光群」が作られる。全ての単位
発光装置20-i（i=1,…,m）によって作られた「ピンホー
ル光群」は、重ね合わされて３次元物体の視覚情報にな
る。

【００２０】以上のように、この第３の実施形態では、
「ピンホール光群」を発する単位発光装置20-i（i=1,
…,m）を多数集積したので、３次元視覚情報を模擬的に
再現する装置が実現できる。

【００２１】尚、本発明は上記実施形態に限定されず、
種々の変形が可能である。その変形例としては、例えば
次のようなものがある。（ａ）第２の実施形態では、散乱層２のレンズ2-iを
高精度で加工できるならば、各発光素子1-iに対応する
画素群の直線は、実測によらず、計算で求めてもよい。（ｂ）第２の実施形態の装置を、例えば眼鏡やゴーグ
ル等のように、眼前に固定して用いる場合、レンズ2-i
の成型を調整して光線群の拡散方向と広がりを調整し、
眼球の動きに伴う瞳孔の移動範囲の中に、全ての光線群
が集中するように光線群の拡散範囲を限定し、効率のよ
い散乱層２を設計すれば、瞳孔に入る光線の本数が増加
し、高画質の装置が実現する。（ｃ）散乱層２は、例えば、電気光学結晶を用いたプ
リズムを電界制御して屈折率を変える電気光学偏向器で
構成してもよい。（ｄ）本発明の３Ｄ画像表示装置は、あらゆる画像表
示装置に応用可能であり、例えば、次の（１）〜（８）
のようなものに適用できる。（１）ゲーム機や立体映画のゴーグル型ディスプレイ（２）立体テレビモニタやウェアラブルコンピュータ
のモニタ（３）自動車の運転や飛行機等の操縦等のシミュレー
タディスプレイ（４）自動車、飛行機等の計器やナビゲーションシス
テムのディスプレイ（５）自動車の電子的バックミラーシステム（６）近視、遠視、乱視等の補正をする電子的眼鏡（７）カード型立体画像ディスプレイ（８）ＣＴスキャン等の３Ｄ画像ディスプレイ

【００２２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、３次元物体を覗き見る画面枠内の有限個の点が複
数の発光素子に置き換えられ、各点の「ピンホール光
群」の中から１光線づつ取り出されて模擬的に再現表示
されるようにしたので、３次元物体からの視覚情報の特
定の一部分が取り出され、そのまま模擬的に再現した光
情報が出力される。そのため、真の３Ｄ画像を表示で
き、且つ３Ｄ画像の自然な動画像が表示できると共に装
置を小型軽量にできる。又、「ピンホール光群」を発す
る１領域を単位発光装置としてこれを複数集積したの
で、３次元視覚情報を模擬的に再現する装置を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の３Ｄ画像表示装置の
構成図である。

【図２】本発明の基本原理を説明する図である。

【図３】本発明の３Ｄ画像表示装置の概念を説明する図
である。

【図４】本発明の第２の実施形態の３Ｄ画像表示装置の
構成図である。

【図５】本発明の第３の実施形態の３Ｄ画像表示装置の
構成図である。

【符号の説明】

１発光層 1-1，…，1-n 発光素子 1-i 発光素子群２散乱層 2-i 散乱層 10-i（i=1,…,m）単位発光装置 20-i（i=1,…,m）単位発光装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】集積配置された複数の発光素子を有し、
３次元画像情報に対応した入力信号を入力して該入力信
号に対応した単一指向性の平行光線群を発生する発光層
と、前記平行光線群の各光線をそれぞれ異なった方向へ散乱
させて固定的（又は可変的）指向性を有する出射光ビー
ム群を出射する散乱層とを、備えたことを特徴とする３
次元画像表示装置。
【請求項２】集積配置された複数の発光素子を有し、
３次元画像情報に対応した入力信号を入力して該入力信
号に対応した単一指向性の平行光線群を発生する発光層
と、前記平行光線群の各光線をそれぞれ異なった方向へ散乱
させて固定的（又は可変的）指向性を有する出射光ビー
ム群を出射する散乱層と、前記各発光素子が表示を受け持つ３次元画像の画素群を
指示するデータを該各発光素子毎に全素子にわたって保
持する保持手段とを、備えたことを特徴とする３次元画
像表示装置。
【請求項３】前記各発光素子は、可視光を発生する半導体レーザ素子で構成したことを特
徴とする請求項１又は２記載の３次元画像表示装置。
【請求項４】前記散乱層は、前記各発光素子から発生した平行光線群をそれぞれ異な
った方向へ散乱させて送出するプリズム又はレンズで構
成したことを特徴とする請求項１又は２記載の３次元画
像表示装置。
【請求項５】前記散乱層は凹レンズ又は凸レンズで構
成され、前記各発光素子から発生した平行光線群を前記凹レンズ
又は凸レンズの焦点を始点とする直線状に拡散放射させ
て３次元画像を表現する光線群を発生することを特徴と
する請求項１、２又は３記載の３次元画像表示装置。
【請求項６】或る一つの点から離れるに従って相似的
に拡大される物体の倒立像を表示する光線群を発生する
装置を単位発光装置とし、これを複数集積することによ
って構成したことを特徴とする３次元画像表示装置。