JP2002518914A - 三次元表示システム - Google Patents

三次元表示システム

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、景色及び物体の少なくとも一方を空間深度に関して一定の割合に定めた複数の表示面から得られる複数の平面状トモグラフ像から、その景色及び物体の少なくとも一方を三次元表示するためのシステムに関する。このため、観察者又はカメラの視覚方向に対して垂直に、複数の隣接する表示素子（１，２，３，４）が設けられる。表示素子（１，２，３，４）は互いに整列され、複数の行および列を有する平面状ラスタを形成する。これらの隣接する表示素子（１，２，３，４）のうちの少なくとも２つは、ラスタの行および列中で、異なる焦点距離を有する。異なる焦点距離の数は、空間深度に関して一定の割合で定めた表示面の数に対応する。同様の焦点距離を有する表示素子（１，２，３，４）は常に同様の表示面と対応する。トモグラフ像の部分は、各表示素子（１，２，３，４）の光軸中に配置される。同様の焦点距離を持つ表示素子（１，２，３，４）の光路には、同様のトモグラフ像の部分がさらに設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の属する技術分野 本発明は、景色又は物体の空間深度に対してオフセットされる異なる複数の像
面から得られる複数の平面の層状の像に基づいて、景色又は物体を三次元表示す
るための装置に関する。
【０００２】 従来技術 従来技術のなかで知られている物体の空間的表示のための方法および装置は、
おおむね３つのグループに分類される。第１のグループにおいては、異なる視覚
角度から記録された２つのイメージのうちの１つが、片方の目に配分される。適
切な手段を通して、各目には自身へ配分されたイメージが見えるが、もう一方の
イメージは見ることができない。赤緑メガネや偏光メガネを初めとするこのよう
な手段により、各目が自身へ配分されたイメージだけを見ることが確実となる。
【０００３】 またそれは、適切に配置されたレンズ形スクリーン、又は各目に配分され与え
られたイメージのみを分割する分割イメージディスプレイのようなプリズムスク
リーンによっても、確実となる。
【０００４】 しかしながら、視覚位置および視覚距離は一般に最初から固定されており、目
の調節が起こり得ないという不都合がある。このような理由から、この方法で得
られる空間的表示を見ることは疲労につながる。さらに、見るために必要とされ
る手段はときに非常に精巧なもので、コストを上昇させる。
【０００５】 従来技術から既知の第２のグループの装置においては、空間的表示をなすため
のイメージ又はイメージの投影に容量を取る。この場合に実質的に不都合なのは
、例えば陰極球内の回転ディスク、回転する発光ダイオード表面、または回転ら
せん体を初めとする、異なる空間深度でイメージを投影するための機械的に動く
構造組立体が必要とされることである。このような可動構造組立体は、その動作
が正確になされなければならず、それらは精密に製造されなければならない一方
で、他方でこの種の構成は摩耗にさらされるため、維持のための費用もかかり、
結果的に物質的にも時間的にも非常に高い要求がなされ、望ましくないコスト増
につながる。
【０００６】 このグループはまた、日本国公開特許公報第６２−７７７９４号によれば、画
像表示装置、調整可能な焦点距離をもつ多くの微細凸レンズ、およびこれらのレ
ンズに対向して配置される別の凸レンズから成る三次元表示装置を含む。例えば
、前記微細凸レンズは、焦点距離が調整可能な液晶レンズであり、像の深度情報
に基づく制御信号がこれらのレンズに与えられる。この装置が動作されると、様
々な二次元像、つまり垂直および水平方向に広がる像が画像表示装置上に表示さ
れ、対応する液晶レンズ制御又はイメージに関する焦点距離の調整を経て追加の
凸レンズを通して見ることにより、三次元状態に知覚される像を形成可能である
。
【０００７】 しかしながら、比較的精巧な光学機械的および光学電気的構成や、結果として
かなり大きなものである９０cmの構造深度は不都合である。しかも、長距離に対
する目の調節により、微細凸レンズのラスタ又はこれらレンズ間の中間空間のラ
スタの方を見るのに有利となり、実際望ましい乱されていない三次元表示を受け
取らないという、望ましくない効果が起こると予期される。さらに、（小型化の
ために）ＴＦＴディスプレイを意図的に使用すれば、例えば、微細凸レンズおよ
び追加の凸レンズを有する光学システムによって線形拡大を実現することは難し
いため、問題に遭遇し得る。
【０００８】 日本国公開特許公報第０７−６４０２０号には三次元ディスプレイおよびこの
ディスプレイによる表示方法が開示されている。この文献によると、三次元的に
動くイメージが迅速且つ簡単に表示され、それを広い空間の中でメガネを使用せ
ずに見ることができる。
【０００９】 このため、短焦点距離を有する凸レンズ、光源、およびレンズと光源との間に
位置する伸張機構を揃える複数の表示要素が用意され、表示面上に配設される。
三次元イメージは、凸レンズと光源との間の距離を前記伸張機構を作動させるこ
とにより変化させ、凸レンズにより形成される光源の像の位置を表示するなかで
、発生する。三次元イメージは、光源の虚像及び実像のイメージの位置を特に変
化させることにより形成される。
【００１０】 この場合もまた、むしろ複雑ともいえる構成であることに加えて、凸レンズの
絞り収差自体が補正されず、イメージが低質となり、イメージ深度差が小さくな
るという不都合がある。
【００１１】 第３のグループにおいては、イメージが量でイメージされる。例えば、これは
、音響光学変調器を使うか又は赤外線励起による水銀蒸気蛍光を利用する、音波
変調凹面鏡又はコンピュータ発振ホログラムにより達成される。これらの方法お
よび装置は比較的複雑であり、したがってコストがかかる。
【００１２】 発明の説明 このような背景に対し本発明は、像形成が投影面および可動構成アセンブリを
利用せずに達成され、観察者にとって追加の補助手段を必要としない、景色又は
物体を三次元表示に再生するための装置を提供することを目的とする。
【００１３】 本発明によれば、複数のイメージ素子を互いに隣接させて観察者の視覚方向に
対して垂直に設けるとともに、行および列から成る平面ラスタ中に互いに配列す
ることにより目的が達成される。この関係において、ラスタの行と列において互
いに隣接する少なくとも２つのイメージ素子は互いに異なる焦点距離を有し、異
なる焦点距離の数は、空間深度に関してオフセットされた像面の数に対応する。
さらに、同様の焦点距離をもつイメージ素子は、常に同様の像面と対応する。層
状の像の一部は各イメージ素子の光軸中に配置され、同様の層状の像の部分は、
常に同様の焦点距離のイメージ素子の光路中に設けられる。
【００１４】 したがって、異なる像面から複数の層状の像が記録された景色および物体が、
簡単な手段により空間的に再生されるという、有利な形態で達成される。これは
、各個の層状の像が、像面に対応する焦点面中の各対応するイメージ素子により
映像化されることによりなされる。
【００１５】 本発明の特定の装置においては、イメージ素子と関連する層状の像の部分を、
イメージ素子の像面中に配置させる。それゆえ、観察者の目の調節が促進される
。各層状の像は良好な鮮鋭度で受け取られ、ゆえに、表される物体の現実的な三
次元印象を伝える。
【００１６】 十分な数のイメージ素子がラスタ上に配列されると、良好な解像度が達成され
る。同一の焦点距離をもつイメージ素子を、互いに同距離だけ離間させて位置さ
せると好ましい。観察者のために、層状の像は一方に他方が重ね合わせられ、各
層状の像は配分された像面において示される。したがって、同時知覚に利用でき
るように形成された層状の像は、表示される物体又は景色の良好な空間的印象を
伝える。
【００１７】 この装置の本質的な利点は、可動光学素子を必要としないことである。さらに
、従来技術とは対照的に、片方の目のみで知覚する際にも空間的印象が形成され
る、つまり、本発明の装置により、片方の目のみで空間的表示の印象を達成する
こともできることである。
【００１８】 本発明の好ましい実施態様においては、平凸レンズがイメージ素子として設け
られる。平凸レンズを有するラスタ装置は、例えば平面透明体の表面上で押圧す
ることによりレンズの凸面又は曲率を形成することで、経済的に製造される。
【００１９】 もちろん、ラスタ装置において、両凸レンズ、フレネルレンズ、例えば凸レン
ズと凹レンズによるレンズの組合せ等を設けることも可能である。同様に、イメ
ージ特性を向上するためにイメージ素子の光路中にダイアフラムを配置したり、
観察者にとって各個の層状の像が異なるものとして感じられるようにカラーフィ
ルタを設けることも考えられる。
【００２０】 本発明の特に好ましい実施態様においては、ラスタ内で、平凸レンズに４つの
異なる焦点距離を設ける。そのような互いに異なる焦点距離を有する４つの平凸
レンズは、幾何学的に結合され、四角又は蜂の巣形に配置されるラスタ行を形成
する。この種の複数のラスタ行は行および列中に互いに隣接して配置され、ラス
タ全体を充填する。これに関し、同一焦点距離の平凸レンズの焦点面に配置され
る４つの層状の像のなかに、常時同様のものの部分が存在する。
【００２１】 このようにして、本発明によれば、４つの像面で非常に良好な空間的印象を与
えることができるため、比較的簡単で容易に製造可能な形態で、空間的表示を達
成することができる。もちろん、本発明のさらなる実施態様において、多数の像
面を互いに重ね合わせて表示可能とするために、多数の光学的イメージ素子をそ
の数に対応する異なる焦点距離をもたせて互いに隣接させて配置させ、それらを
ラスタ行中に結合させることが可能である。
【００２２】 本発明のさらに好適な実施態様においては、各々が１００ｍｍ、８５ｍｍ、７
０ｍｍ、および５０ｍｍの焦点距離の１つを有する４つの平凸レンズが各ラスタ
行に設けられる。これにより、一方で互いに等距離離れての深度に関してオフセ
ットされ、もう一方で十分に良好な空間的印象を伝える層状の像を表示すること
ができる。
【００２３】 本発明の実施態様において、深度および像面の数に関してオフセットすること
は、三次元の方法で知覚される物体の種類によってなされるべきである。空間深
度が非常に小さい粗い表面を表示する際には、オフセットする深度の距離もまた
比較的小さく維持することができる。一方、より大きい空間深度を有する物体に
おいては、より多数の像面、およびこの程度でまたより多数の異なる焦点距離を
もつイメージ素子を用いることが推奨される。
【００２４】 さらに本発明においては、各平凸レンズが１ｍｍの直径を有し、各行中に４つ
の平凸レンズを持つ１００のラスタ行と各列中に４つの平凸レンズを持つ１００
のラスタ行とを有するように配置することができる。これにより、層状の像の三
次元表示において、非常に良好な解像度が達成される。
【００２５】 層状の像は、例えば、ドイツ国特許出願公開（ＯＳ）第２９１１３７５号に示
されるような従来技術で知られている方法により得られる。該特許出願では、各
層状の像が、その発明による装置により表示される像面の１つと対応するという
条件を満たすことが必要とされる。各層状の像は、同一の焦点距離のイメージ素
子の数に対応する数の部分に分割される。これらの部分の各々はイメージ素子の
１つに配分され、そのイメージ素子の焦点面に配置される。
【００２６】 本明細書に示す本発明の実施態様の形や変形に加え、各イメージ素子又はレン
ズを互いに異なる直径を持つように構成することも可能である。また、異なる倍
率のバランスがとれるように、各個の層状の像を異なる割合で表示することも可
能である。
【００２７】 さらに、無限の焦点距離を持つ共通像面又は層状の像に配分されるイメージ素
子を形成することも本発明の範疇に入るものである。この場合、対応する層状の
像の部分は１対１の割合で観察者に受け取られる。
【００２８】 以下に、実施態様を参照しながら本発明についてさらに詳しく述べる。 図面の詳細な説明 図１に示すように、複数のイメージ素子１、２、３、４は、平面状ラスタ５内
の行および列中に互いに隣り合って位置している。イメージ素子１〜４は、例え
ば平凸レンズである。１で示される全てのイメージ素子は同様の焦点距離を有し
、各２、３、および４で示される全てのイメージ素子もまた各々同様の焦点距離
を有する。しかしながら、１で示されるイメージ素子の焦点距離は、２で示され
るイメージ素子の焦点距離とは異なる。同様に、３および４で示されるイメージ
素子の焦点距離は互いに異なり、その他も同様に異なるものである。
【００２９】 例えば、イメージ素子１は７０ｍｍの焦点距離を有し、イメージ素子３は１０
０ｍｍ、イメージ素子２は５０ｍｍ、そしてイメージ素子４は８５ｍｍの焦点距
離を有する。
【００３０】 さらに図１に示されるように、各１個のイメージ素子１、２、３、４は１つの
ラスタ行５．ｍｎ中に集められている。ラスタ行５．１１、５．１２、…５．１
ｎは１つの行中に配置されており、また、ラスタ行５．１１、５．２１、…５．
ｍ１は１つの列中に配置されている。
【００３１】 さらに、各イメージ素子１、２、３、４の各ラスタ行５．１１〜５．ｍｎ中の
互いに対する位置は同一であることがわかるであろう。つまり、イメージ素子１
および２が第１の行において互いに隣りに位置し、またイメージ素子３および４
が次の行において互いに隣りに位置することを意味する。最初の列において、イ
メージ素子１および３は互いに隣りに位置し、次の列で、イメージ素子２および
４は互いに隣りに位置する。
【００３２】 図２は、概して図１の線Ａ―Ａについての断面図である。イメージ素子１およ
び２の異なる焦点距離はそれらの表面の異なる曲率によって示される。さらに図
２により、層状の像の異なる部分６が、異なる焦点距離を有するイメージ素子と
対応していることがわかる。したがって、例えば層状の像６．１の部分はイメー
ジ素子１と対応し、層状の像６．２の部分はイメージ素子２と対応する。
【００３３】 類似の図が図３であり、そこでは、層状の像６．３の部分はイメージ素子３と
対応し、層状の像６．４の部分はイメージ素子４と対応することがわかる。 図２および図３において、例えば各イメージ素子１〜４の各々対応する各焦点
面中に、部分的なイメージ６．１〜６．４が配置されている。他方、図４および
図５は、部分的なイメージ６．１〜６．４が、イメージ素子１〜４の焦点面では
なく、共通の平面上に配置されている本発明の配列を示す。この結果、物理的媒
質上に部分的像をプリントするための必要条件が技術的に有利なものとなる。
【００３４】 これらの図は、同様の層状の像の部分が同様の焦点距離を有するイメージ素子
下に常に配置されることを明確に示している。したがって、別個の像面において
、各イメージ素子１、２、３、４は、それに対して配分された層状の像の部分を
結像することになる。
【００３５】 同時に見られるイメージ素子１〜４を有するラスタが知覚される時、全ての像
面が観察者に受け取られる。しかしながら、異なる焦点面により、目は異なる像
面に焦点を当てる。したがって、各部分又は各層状の像がそれに対応した空間深
度において表示される。この場合、物体は三次元的に示され、深度解像度は像面
の数による。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学的イメージ素子の配列を有するイメージフィール
ドの基本を示す図である。
【図２】焦点面内の部分像の配列を示す図１の線Ａ―Ａについての断面図で
ある。
【図３】焦点面内の部分像の配列を示す図１の線Ｂ―Ｂについての断面図で
ある。
【図４】焦点面外側の部分像の配列を示す図１の線Ａ―Ａについての断面図
である。
【図５】焦点面外側の部分像の配列を示す図１の線Ｂ―Ｂについての断面図
である。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】景色又は物体の異なる複数の像面を再生する複数の平面層状の
    像に基づいて、景色又は物体を三次元表示する装置であって、像面は空間深度に
    関してオフセットされ、固定された焦点距離を有する複数のイメージ素子（１、
    ２、３、４）が、１つの平面状ラスタの行および列中に互いに隣接するように、
    観察者又はカメラの視覚方向に対して垂直に設けられ、前記層状の像はイメージ
    素子（１、２、３、４）により観察又は記録され、前記ラスタの行又は列中で互
    いに隣接するイメージ素子（１、２、３、４）のうちの少なくとも２つは互いに
    異なる焦点距離を有し、異なる焦点距離を有するイメージ素子（１、２、３、４
    ）の数は空間深度に対してオフセットされる像面の数に対応し、同様な焦点距離
    を有するイメージ素子（１、２、３、４）は常に同様の像面に対応し、層状の像
    の一部は各イメージ素子（１、２、３、４）の光軸中に配置され、同様の層状の
    像の部分（６．１、６．２、６．３、６．４）は常に同一の焦点距離を持つイメ
    ージ素子（１、２、３、４）に配分される、三次元表示装置。
  2. 【請求項２】イメージ素子に対応する層状の像の部分（６．１、６．２、６
    ．３、６．４）は、イメージ素子の像面に配置される請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】球面又は非球面の光学的に活性な表面を持つレンズ、好ましく
    は平凸レンズを設けた請求項１又は２に記載の装置。
  4. 【請求項４】４つの異なる焦点距離を持つ平凸レンズがイメージ素子（１、
    ２、３、４）として設けられ、異なる焦点距離を持つ４つの各平凸レンズは、蜂
    の巣形ラスタ行内で組み合わされ、この種の複数のラスタ行がラスタ全体を充填
    するように互いに隣接して配置され、層状の像の数が４つであり、層状の像の部
    分（６．１、６．２、６．３、６．４）は、対応する平凸レンズの焦点面中に配
    置される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
  5. 【請求項５】１００ｍｍ、８５ｍｍ、７０ｍｍ、および５０ｍｍの焦点距離
    を持つ円形の平凸レンズの各々が各ラスタ行に設けられる、請求項４に記載の装
    置。
  6. 【請求項６】平凸レンズが共通シート上に配置され、凸レンズの各々が１ｍ
    ｍの直径を有し、一方で各々が４つの平凸レンズを有する１００ラスタ行が各行
    に配置され、他方で各々が４つの平凸レンズを有する１００ラスタ行が各列に配
    置される請求項５に記載の装置。
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