JP2001197522A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 観察者の目が疲れず自然な３次元画像を再生
することができる画像表示装置を得ること。 【解決手段】 視差画像を表示する画像情報生成手段
と、該画像情報生成手段からの光束を観察者の瞳孔へ導
光する表示光学系とを含む光学系を、走査手段で観察者
の瞳孔前方で走査し、観察者の単眼で複数の視差画像が
認識されるようにしたこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は３次元像（視差画
像）を観察することができる画像表示装置に関し、特に
画像表示手段に表示した画像を観察者が疲れず自然な状
態で良好に観察することができるようにしたものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、立体物（３次元物体）の画像
情報を画像記録手段に記録し、該画像記録手段に記録し
た画像情報を立体的に再生するための方式が種々と試み
られている。

【０００３】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（偏光メガネ方式、レンチキュラ方
式など）は簡便さの点から広く利用されている。

【０００４】又、より立体認識のしやすさをめざして両
眼視差のみに頼らず、眼のその他の立体認識機能を満足
する３次元像再生の方法がいくつか試みられている。

【０００５】このうち、平成９年，通信・放送機構が発
行した「高度立体動画像通信プロジェクト最終成果報告
書」の第３章８節「超多眼領域の立体視覚に関する研
究」によれば、観察者の瞳孔の空間周波数よりも高い周
波数で視点が標本化され実在の物体と同様に連続的な視
差が再現される「超多眼領域」の立体表示下において
は、観察者の単眼に複数の視差画像が入射しており、こ
の効果として観察者の眼の焦点調節が、両眼視差によっ
て誘導される擬似的な立体像の近傍に導かれ、観察者の
疲労や違和感が軽減される、とされている。

【０００６】つまり、従来から行われている２視点から
の視差画像を両眼に対して呈示する立体表示方法を、ｎ
視点からの視差画像をｎ視点に対して呈示する方法に拡
張し、なおかつｎ個の視点の隣り合う２点間距離を観察
者の瞳孔よりも小さくした場合、「単眼視差効果」によ
り目が疲れにくい立体表示となる、という見解が示され
ている。

【０００７】さらに同報告書第３章６節「集束化光源列
（ＦＬＡ）による多眼立体ディスプレイの研究開発」で
は上記理論を実践する具体例が示されている。

【０００８】図１７はこの具体例の構成図である。図１
７中のＦＬＡは集束化光源列(Focused Light Array)の
略語であり、図１８に示すような構成を有する。

【０００９】ＦＬＡは図１８（ａ）のように半導体レー
ザーなどの光源(Light Source)の光を光学系(Beam Shap
ing Optics)により細い光束に整形したものを、図１８
（ｂ）のように円弧状に並べてすべての光束を円の中心
に集光させたものである。

【００１０】こうして形成された焦点(Focal Point)は
光学系(Objective lens,Imaging lens)により垂直拡散
板(Vertical Diffuser)に再結像し、走査系(Vertical S
canner,Horizontal Scanner)により２次元的に高速走査
され、２次元的な画像を形成する。走査の周期が観察者
の眼の残像許容時間内（約１／５０秒以内）であればフ
リッカーのない画像観察が可能となる。

【００１１】ある瞬間における焦点は２次元画像の個々
の画素を構成しており、各画素は元の光源の数だけ異な
る方向に光線を出射する輝点と考えられる。

【００１２】どの方向に光線を出射させるかは、発光さ
せる光源を選択することで決定することができる。この
光線の出射方向は非常に小さな角度だけ異なっているの
で、観察位置では観察者の瞳に２本以上の異なる光線が
入射するような条件になっている。

【００１３】つまり、上記構成によれば観察者の単眼に
複数の視差画像が入射する「超多眼領域」の立体表示が
可能となり、観察者の眼の焦点調節が立体像近傍に導か
れ観察者の疲労や違和感が軽減される。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術には次のよ
うな問題点が存在する。「超多眼領域」の立体表示を行
う場合きわめて微少な視差画像を観察者に呈示する必要
があるため、非常に膨大な量の画像情報を取り扱う必要
が生じる。しかも全視差画像を観察者の眼の残像許容時
間内にすべて表示しなければならないので、きわめて高
速な情報表示手段が必須となる。

【００１５】前述の文献によると視差画像の刻みは０．
５度刻みとなっており、水平方向２２．５度の観察域に
対して４５枚の視差画像を再生する構成をとっている。

【００１６】このため通常の２次元の画像表示装置の４
５倍の画像情報処理と高速画像表示が必要となる。

【００１７】従来例においてはこうした高速描画性を満
足するために走査系と半導体レーザーを組み合わせてい
るが、いずれも画像情報表示手段としては一般的な手段
とはいえず、装置規模や製作コストの拡大、画像処理の
特殊性といった実施上好ましくない。

【００１８】本発明は、立体画像の表示を容易に行い、
しかも観察者が疲労せずに良好に立体画像を観察するこ
とができる画像表示装置の提供を目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の画像表
示装置は、視差画像を表示する画像情報生成手段と、該
画像情報生成手段からの光束を観察者の瞳孔へ導光する
表示光学系とを含む光学系を、走査手段で観察者の瞳孔
前方で走査し、観察者の単眼で複数の視差画像が認識さ
れるようにしたことを特徴としている。

【００２０】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、前記表示光学系は該表示光学系の射出瞳径が観察者
の瞳孔径よりも小さくなるように設定していることを特
徴としている。

【００２１】請求項３の発明は請求項１又は２の発明に
おいて、前記走査手段は前記光学系を観察者の瞳孔前方
で該瞳孔を横切る方向に走査していることを特徴として
いる。

【００２２】請求項４の発明は請求項３の発明におい
て、前記光学系は水平方向にのみ走査されていることを
特徴としている。

【００２３】請求項５の発明は請求項３の発明におい
て、前記光学系は水平方向と垂直方向に走査されている
ことを特徴としている。

【００２４】請求項６の発明は請求項１，２又は３の発
明において、前記走査手段による走査１周期は観察者の
残像時間内であることを特徴としている。

【００２５】請求項７の発明は請求項１，２又は３の発
明において、前記画像情報生成手段は前記走査に対応し
て異なった視差画像を表示していることを特徴としてい
る。

【００２６】請求項８の発明は請求項１，２又は３の発
明において、前記画像表示装置は観察者の頭部に装着さ
れ、前記射出瞳が観察者の瞳孔位置に一致するように固
定されることを特徴としている。

【００２７】

【発明の実施の形態】まず本発明に係る単眼視差画像の
生成の概念を説明する。

【００２８】図１は本発明の画像表示装置の基本概念の
説明図（平面図）である。図１において２は光学系であ
って、画像表示生成手段（画像情報生成手段）５と一枚
或いは複数枚で構成されるレンズ（表示光学系）６を有
している。１は画像表示生成手段５で形成した画像情報
１ａを光学系２によって観察者側へ表示した虚像（画像
情報）である。３は光学系２の射出瞳であって仮想的な
シンボルで表してあり、観察者の眼４の瞳孔位置と略一
致し、その瞳径は眼４の瞳孔径より小さくなるように設
計している。観察者の眼４はこの射出瞳３を通して虚像
である画像情報１を観察している。

【００２９】７は光学系２をＸ，Ｙ方向に移動制御する
ためのアクチュエータ（走査手段）である。画像情報生
成手段５は液晶ディスプレイ等を用いている。

【００３０】図２は図１の画像表示装置の斜視図であ
る。図２では、光学系２をアクチュエータ７によって
Ｘ，Ｙ方向に２次元的に移動制御する様子を示してい
る。アクチュエータ７によって光学系２を観察者の眼球
４の瞳面を横切るように走査して、光学系２の射出瞳３
が眼球４の瞳面上を走査するようにしている。

【００３１】尚、射出瞳を走査させる手段として、可動
ミラー等を用いても良い。

【００３２】図３は図１に示す構成の画像表示装置を観
察者の左右眼に対して２つ配置して、画像表示装置と観
察者の瞳の関係が固定されるように装置自体を図に示す
ようにベルトなどで観察者の頭部に装着させるヘッドマ
ウントディスプレイ（ＨＭＤ）として構成している。

【００３３】左右の画像表示装置の画像情報生成手段５
は互いに同期をとって画像情報の生成を行い表示するこ
とができるようにしている。本実施形態において、左右
の画像表示装置で表示する画像情報として両眼視差画像
を独立に表示しても良く、これによれば、観察者は立体
像を観察することができる。

【００３４】本実施形態では光学系２を機械的に移動制
御し、光学系２の射出瞳３を観察者の眼球４を水平方向
又は水平方向と垂直方向に横切る方向にスキャンするこ
とで単眼４内に視差画像を生成している。

【００３５】図４から図６は観察者の単眼４内に視差を
与えることの説明図である。図４において光学系２は射
出瞳３−１を形成している。このとき画像情報生成手段
５は対応する画像として画像情報（１−１）を選択して
表示している。そして観察者は虚像である画像情報１−
１を観察している。微小時間経過後、光学系２は図５の
ように射出瞳３−２を形成する。

【００３６】このとき画像情報生成手段５は対応する画
像として画像情報（１−２）を切り替えて表示する。そ
して観察者は虚像である画像情報１−２を観察してい
る。同様にして、図６に示すように光学系２が射出瞳３
−３を形成する時は画像情報（１−３）を切り替えて表
示する。そして、観察者は虚像の画像情報１−３を観察
している。

【００３７】図７は画像情報生成手段５による画像情報
１（１−１〜１−３）の表示と射出瞳３（３−１〜３−
３）形成のタイミングチャートである。このように、射
出瞳３の位置と表示される画像情報１は一対一で対応し
ている。光学系２は機械的かつ連続して移動させている
ため図４〜図６に示す射出瞳（３−１，３−２，３−
３）は瞬間的に形成され、その時の画像情報の表示も瞬
間的に表示される。

【００３８】なお、こうした切り替え動作は観察者の眼
の残像許容時間より短い周期で繰り返すため、すべて観
察者に意識されることなく行っている。

【００３９】尚、光学系２を間欠的に移動させ、それに
基づいて画像情報形成手段で画像情報を表示するように
しても良い。

【００４０】本実施形態では射出瞳３の大きさが観察者
の瞳孔径より小さくなるように設定し、その射出瞳を所
定量スキャンするように制御している。

【００４１】そのため本実施形態の装置によれば、前述
した従来例同様に観察者の単眼に複数の視差画像が入射
する「超多眼領域」の立体表示を可能としている。その
ような立体表示を行う場合は前述した画像情報表示と射
出瞳形成の同期において、射出瞳位置に応じた微小の視
差画像情報を表示すればよい。

【００４２】この場合、表示すべき微小視差画像は図８
に示したように物体８を上記射出瞳３−１〜３−３の中
心位置３−１'〜３−３'を視点として得られる一連の視
差画像として得られる。これは撮像系を用いた実写映像
として得てもよいし、コンピューター演算により仮想的
に生成してもよい。

【００４３】次に、本実施形態において上記視差画像を
得るための撮像装置（画像入力装置）の実施例を図９，
図１０に示す。

【００４４】図９において、撮像装置（画像入力装置）
４３は次のような部材で構成されている。４４は撮像レ
ンズ（撮像光学系）で、物体４１を撮像素子（撮像手
段）４７上に結像している。

【００４５】撮像レンズ４４の光学的な瞳位置には開口
生成手段４５を配置している。開口生成手段４５は液晶
ディスプレイなどの透過型の空間変調素子で構成され、
光の透過率分布を発生させて、光学的な開口部と遮光部
を形成している。開口生成手段４５と撮像素子４７はと
もに制御手段４６によって制御している。

【００４６】制御手段４６は開口生成手段４５の開口位
置を制御しており、開口位置を３−１''→３−２''→‥
‥‥というように高速で切り替え、これに同期して撮像
素子４７での画像撮像のタイミングを制御している。

【００４７】開口位置３−１''，３−２''は画像再生時
の射出瞳３−１，３−２（図４，図５）に対応してお
り、それぞれの開口を通して撮像した画像は「超多眼領
域」の立体再生に適した微小な視差画像となっている。

【００４８】例えば図９のように開口３−１''を通して
撮像した画像（視差画像）は図４における視差画像１−
１に相当し、図１０のように開口３−２''を通して撮像
した画像は図５における視差画像１−２に相当する。

【００４９】同様にして開口を種々変えて形成し、視差
画像を得ることができる。

【００５０】こうして得られた微小な視差画像は撮像時
の開口位置との対応を定義づけるような信号とともに画
像伝送部または記録部（不図示）に送られ、「超多眼領
域」の立体表示装置用に伝送または記録される。

【００５１】このような撮像装置を用いて「超多眼領
域」の立体表示装置用の実写データを得ている。このよ
うなデータを、前述した通りコンピューター演算により
仮想的に求めてもよく、この場合は図８の概念に従って
複数視点からの視差画像をコンピューター演算で求めれ
ばよい。

【００５２】本実施形態においては、射出瞳３の表示位
置と表示画像を任意に設定することで単眼内に表示する
視差画像数は任意に設定可能であるが、実現可能となる
単眼視差数は主に画像生成手段５の能力に左右される。

【００５３】なお、射出瞳３の形状は、円形、だ円形、
矩形、多角形など、どのような形状であってもかまわな
い。

【００５４】また、一般的にこのような頭部装着型の画
像表示装置では、装着ずれや眼の眼球運動に対応するた
め射出瞳を瞳孔径に比してやや大きめに設定する。

【００５５】本実施形態においても射出瞳３のスキャン
範囲を瞳孔径よりも大きめに設定することで、観察者の
瞳位置が微妙にずれても画像情報１の全貌を観察するこ
とを可能としている。

【００５６】このように本実施形態では光学系２の射出
瞳３を眼球６の瞳面上で走査するとともに、それに対応
して画像情報生成手段５で表示する画像情報を切り換え
つつ、（即ち視差のある画像情報を切り換えて表示する
ことによって）観察者に視差画像を認識させている。こ
れによって立体画像の観察ができるようにしている。

【００５７】本実施形態によれば、従来例で示した例よ
り少ない数の視差画像で「超多眼領域」の立体表示を容
易に実現できる。

【００５８】例えば、画像観察が可能な範囲を画面中心
の中心としてＷ（度）、視差画像を表示する刻みをｄ
（度）とすると、視差画像数はＷ／ｄとなる。「超多眼
領域」の立体表示とするには単眼内に複数の視差画像を
呈示しなくてはならないので、刻み角ｄを相当小さい値
にしなくてはならない。

【００５９】例えば観察距離５００ｍｍ、観察者の瞳孔
径４ｍｍ、観察域３０度とするとｄは０．２３度以下、
視差画像数は１３０以上必要となる。これら全視差画像
を観察者の眼の残像許容時間内にすべて表示しなければ
ならないので、きわめて高速な画像情報表示手段が必要
となる。

【００６０】そのため、従来例のように特殊な画像情報
表示手段を使用せざるを得ず、装置規模や製作困難の拡
大、画像処理の特殊性といった実施上好ましくない事項
が多く発生してしまう。

【００６１】これに対し、本実施形態によれば光学系の
射出瞳３のスキャン範囲が観察者の瞳孔位置近傍に固定
されているため、観察者の瞳孔よりも若干大きく表示域
を設ければ良く、従来（図１７）の表示域に比べて大幅
に表示域が小さくなり、呈示すべき視差画像数は飛躍的
に減少する。

【００６２】その結果、一般的な画像表示装置に近いも
のを使用して「超多眼領域」の立体表示が容易となり、
装置規模や製作困難を抑制することができる。前述した
ように本実施形態では装着ずれや眼の眼球運動に対応す
るため、射出瞳３のスキャン範囲を観察者瞳孔径に比し
てやや大きめに設定している。

【００６３】次に本実施形態の具体的な構成例を示す。
図１１は本実施形態の機構図であり、図２に示したよう
に光学系２が水平および垂直方向に移動制御可能となっ
ている。

【００６４】図中の２'は光学系２の開口であり、この
開口２'より所定距離隔てたところに観察者の瞳孔径よ
り小さな射出瞳を形成する。

【００６５】光学系２はホルダ１０に設けられたガイド
軸１１と１２によって平行移動できるようにしている。
平行移動するための駆動力は光学系２に設けられたマグ
ネット１３とホルダ１０に設けられたコイル１４によっ
て発生し、コイル１４の電流或いは印加電圧で制御して
いる。

【００６６】さらに垂直方向は筐体（不図示）に設けら
れたガイド軸１５と１６でホルダ１０の垂直方向の移動
が可能で、駆動力はホルダ１０に設けられたマグネット
１７と筐体に設けられたコイル１８で発生し、コイル１
８の電流或いは印加電圧で制御している。このように水
平方向と垂直方向に独立して制御することにより、光学
系２を所定の位置に移動でき、所定位置で所定の視差画
像を順次表示することで単眼視差画像を表示している。

【００６７】図１２は本実施形態１の制御の流れを示す
ブロック図で、コントローラ２０で全体の制御を行って
いる。コントローラ２０は水平方向移動制御部２１と垂
直方向移動制御部２２の移動量を制御するとともに、画
像情報生成手段５の表示タイミングを制御している。

【００６８】本実施形態によれば、観察者の瞳孔よりも
小さな射出瞳を有する光学系を機械的に移動制御すると
同時に、該光学系の所定位置での視差画像を生成するこ
とで単眼内に複数の視差画像が表示され、観察者にとっ
て自然な立体像を認識させることができる。

【００６９】次に本発明の実施形態２について説明す
る。画像情報生成手段による画像情報表示と光学系２の
射出瞳の形成をきわめて高速に行える場合は射出瞳の形
成数を大きくする方が、「超多眼領域」の立体表示にお
いて単眼内の視差数が増加する為再生される立体像が、
より自然な像となる。

【００７０】例えば、図１３のように縦方向に３視差、
横方向に４視差にすれば、瞳孔径４'内に７視差程度
（但し、数え方で多少異なる）の視差画像を呈示するこ
とができ、より自然な立体像の再生が行える。

【００７１】しかしながら、単眼内視差数が多いと画像
情報生成手段５の描画能力や画像情報処理能力、光学系
２の走査能力が不足するという問題も発生しやすくな
る。

【００７２】上記の例では少なくとも一般的な２次元画
像表示手段の１２倍の画像描画能力や画像情報処理能力
が必要となる。

【００７３】そこで、本実施形態２では射出瞳の形成数
をできるだけ小さくしている。立体視においては水平方
向の視差の影響力に比べて、鉛直方向の視差の影響力は
小さいので、鉛直方向の視差を除去して、情報量を低減
化する手法がよく用いられる（ホログラフィックステレ
オグラムやリアルタイムホログラムにおいては特に一般
的な手法である）。

【００７４】そこで、本実施形態では図１４のように射
出瞳を水平方向にのみに発生させる。これにより表示す
べき視差画像数は４となり、縦視差のある場合に比べて
大幅に画像情報量を減らすことができ、画像情報生成手
段に求められる画像描画能力や画像情報処理能力を通常
２次元画像表示時の４倍程度に抑えることができる。

【００７５】尚、水平方向の視差画像数は２以上いくつ
であっても良い。

【００７６】次に本実施形態の具体的な例を示す。図１
５は本実施形態の機構図である。本実施形態は実施形態
１に比べて光学系２が水平方向のみに移動制御可能とな
っている点が異なっており、その他は同じである。

【００７７】水平方向の駆動力はマグネット１３とコイ
ル１４で発生させるのは実施形態１と同様である。ま
た、水平方向の可動支持機構は薄い金属板（弾性体）３
０，３１より平行板バネを構成している。

【００７８】図１６は本実施形態２の制御の流れを示す
ブロック図であり、実施形態１に対して垂直方向移動制
御部がなく、表示視差画像が少なくなっているのが特徴
となっており、その他は同じである。

【００７９】尚、本実施形態では支持機構として、スラ
イド支持と平行板ばねの支持機構を記述したが、平行リ
ンク支持等の他の支持機構でもよく、また、駆動機構と
してはコイルとマグネットを用いる以外のものでもよ
い。

【００８０】

【発明の効果】本発明によれば、立体画像の表示を容易
に行い、しかも観察者が疲労せずに良好に立体画像を観
察することができる画像表示装置を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態１の要部概略図

【図２】 図１の斜視図

【図３】 本発明の画像表示装置をＨＭＤに適用した
ときの概略図

【図４】 本発明の画像表示装置の表示方法の説明図

【図５】 本発明の画像表示装置の表示方法の説明図

【図６】 本発明の画像表示装置の表示方法の説明図

【図７】 本発明の画像表示装置の表示タイミングの
説明図

【図８】 本発明の画像表示装置の立体視の説明図

【図９】 本発明に係る視差画像の形成の説明図

【図１０】 本発明に係る視差画像の形成の説明図

【図１１】 本発明の実施形態１の画像表示装置の外観
図

【図１２】 本発明の実施形態１の動作のブロック図

【図１３】 本発明の実施形態２における瞳分割の説明
図

【図１４】 本発明の実施形態２における瞳分割の説明
図

【図１５】 本発明の実施形態２の画像表示装置の外観
図

【図１６】 本発明の実施形態２の動作のブロック図

【図１７】 従来の画像表示装置の要部概略図

【図１８】 図１７の一部分の説明図

【符号の説明】

１ 画像情報 ２ 光学系 ３ 射出瞳 ４ 瞳孔 ５ 画像情報生成手段 ６ 表示光学系 ７ アクチュエータ ８，４１ 物体 ４３ 撮像装置 ４４ 撮影レンズ ４５ 開口生成手段 ４６ 制御手段 ４７ 撮像素子 １０ ホルダ １１，１２，１５，１６ ガイド軸 １７ マグネット １８ コイル ２０ コントローラ

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年１０月１３日（２０００．１０．
１３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5C061 AA11 AA27 AA29 AB12 AB14 AB16 5G435 AA01 BB12 BB19 CC11 DD03 DD04 DD09 EE18 EE31 FF02 GG02 GG10 GG41

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 視差画像を表示する画像情報生成手段
   と、該画像情報生成手段からの光束を観察者の瞳孔へ導
   光する表示光学系とを含む光学系を、走査手段で観察者
   の瞳孔前方で走査し、観察者の単眼で複数の視差画像が
   認識されるようにしたことを特徴とする画像表示装置。
2. 【請求項２】 前記表示光学系は該表示光学系の射出瞳
   径が観察者の瞳孔径よりも小さくなるように設定してい
   ることを特徴とする請求項１の画像表示装置。
3. 【請求項３】 前記走査手段は前記光学系を観察者の瞳
   孔前方で該瞳孔を横切る方向に走査していることを特徴
   とする請求項１又は２の画像表示装置。
4. 【請求項４】 前記光学系は水平方向にのみ走査されて
   いることを特徴とする請求項３の画像表示装置。
5. 【請求項５】 前記光学系は水平方向と垂直方向に走査
   されていることを特徴とする請求項３の画像表示装置。
6. 【請求項６】 前記走査手段による走査１周期は観察者
   の残像時間内であることを特徴とする請求項１，２又は
   ３の画像表示装置。
7. 【請求項７】 前記画像情報生成手段は前記走査に対応
   して異なった視差画像を表示していることを特徴とする
   請求項１，２又は３の画像表示装置。
8. 【請求項８】 前記画像表示装置は観察者の頭部に装着
   され、前記射出瞳が観察者の瞳孔位置に一致するように
   固定されることを特徴とする請求項１，２又は３の画像
   表示装置。