JP2003015080A - 立体像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で広い奥行きに渡って高解像度の
立体像が再生可能な立体像表示装置を堤供する。 【解決手段】 インテグラルフォトグラフィ法或いは光
線再生法を採用した立体像表示装置において、観察者１
０６側から液晶ピンホールアレイ板１０２を介して液晶
ディスプレイ１０１上のパターンに向かう光線群によっ
て液晶ピンホールアレイ板１０２の後面に三次元虚像１
０４が再生され、また、液晶ディスプレイ１０１上のパ
ターンから液晶ピンホールアレイ板１０２を介して観察
者１０６側に向かう光線群によって液晶ピンホールアレ
イ板１０２の前方に三次元実像１０５が再生される。液
晶ピンホールアレイ板１０２上のピンホールアレイの密
度と液晶ディスプレイ１０１上のパターン密度を同期さ
せて変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、立体像表示装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】アミューズメント、インターネットショ
ッピング、携帯端末、医療、バーチャルリアリティ、広
告看板などで使われる立体表示を可能にする立体像表示
方法の１つとして、右目用、左目用の平面画像をディス
プレイに表示し、偏向光等を用いて右目用は右目に、左
目用は左目で見えるように工夫したステレオスコープ方
法がある。

【０００３】このステレオスコープ方式は例えば偏向め
がねを用いる必要がある。また、立体的に見えるが立体
像を再現していないので、見る位置を変えても映像は変
わらず見る位置を変えても立体像の裏側まで見えてくる
というものではないのでリアリティにかけるという問題
がある。また、焦点位置がディスプレイ面にあり、この
焦点位置と注視物体のある輻輳位置とには、空間的ずれ
が生ずるため、いわゆる焦点調節と輻輳距離の不一致が
生じ、観察者にとって再現される空間に違和感があり、
観察者に疲労を与えやすい問題がある。

【０００４】これらの問題を解決する立体表示方法とし
て、非常に多くの視差画像を用いるインテグラルフォト
グラフィ（ＩＰ）法或いは光線再生法と呼ばれる立体像
を何らかの方法で記録しこれを再生する方法が知られて
いる（特開平１０−２３９７８５公報、特開２００１−
５６４５０公報）。ここで、インテグラルフォトグラフ
ィ法及び光線再生法は、立体表示方法としてその用語の
意味が正確には確立されていないがほぼ同一の原理に基
づく。以下の説明においては、光線再生法を含む概念と
してインテグラルフォトグラフィ法と称し、このインテ
グラルフォトグラフィ法について説明する。

【０００５】図５は、このインテグラルフォトグラフィ
法を用いた立体像表示装置である。

【０００６】図５に示すように、液晶ディスプレイ等の
表示装置５０１とニ次元配列されたピンホール或いはマ
イクロレンズのアレイ板５０２からなる簡単な光学系で
自然な三次元像が再生される。

【０００７】表示装置５０１上には、見る角度により微
妙に見え方の違う視差画像群に相当する多数のパターン
が、ピンホール或いはマイクロレンズの一つ一つに対応
して表示される。観察者５０５側から前記ピンホール或
いはマイクロレンズを通して対応するパターンを観察す
ると、表示装置５０１の後面に三次元虚像５０３（後面
側から見ると存在しない像）を観察することができる。

【０００８】また、視差画像群に相当する多数のパター
ンから発せられた光が対応するピンホール或いはマイク
ロレンズを通して発せられ、この光が集光されることに
よって、ピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板５
０２の前面に三次元実像５０４が形成される。

【０００９】すなわち観察者５０５からピンホール或い
はマイクロレンズのアレイ板５０２を介して表示装置５
０１上のパターンに向かう視差画像光線群によって三次
元虚像５０３を観測でき、表示装置５０１上のパターン
からピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板５０２
を通して観察者５０５に向かう視差画像光線群を集光す
ることによって三次元実像５０４が形成される。

【００１０】観察者に、三次元虚像或いは三次元実像を
観察できるようにするのは、その他の構成により任意に
行うことができる。インテグラルフォトグラフィ法は、
このように簡単な構成で自然な立体像を形成することが
できる。また、インテグラルフォトグラフィ法は、実際
に立体像を再生しているので、偏向めがねも必要がなく
観察者の見る角度によって立体像の見える角度が変わる
ので、よりリアルであるといえる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、発明者
の研究の結果、インテグラルフォトグラフィ法は、高い
解像度で三次元像を再生することが困難であるというこ
とが分かった。

【００１２】図４は、インテグラルフォトグラフィ法に
おける三次元像の解像度とピンホール或いはマイクロレ
ンズのアレイ板５０２からの距離との関係である。

【００１３】図４の横軸の距離が２０００となっている
ところがアレイ板５０２の位置であり、数字が大きくな
る方が表面側（三次元実像）であり、小さくなる方が後
面側（三次元虚像）である。

【００１４】三次元像の解像度は、距離およびピンホー
ル密度の関数として計算によって求められ、これらは、
密接な関係を有している。

【００１５】図４中、実線で示すように、ピンホール
（マイクロレンズ）密度が高い場合、ピンホール（マイ
クロレンズ）アレイ板５０２の近傍では、三次元像の解
像度は非常に高いが、アレイ板５０２から離れると急激
に解像度が低下していることが分かる。

【００１６】一方、図４中、破線で示すように、ピンホ
ール（マイクロレンズ）密度が低い場合、ピンホール
（マイクロレンズ）アレイ板５０２の近傍で三次元像の
解像度はそれほど高くはないが、アレイ板５０２から離
れてもある程度解像度の低下を抑制できていることが分
かる。

【００１７】したがって解像度を良くするために、ピン
ホール（マイクロレンズ）の密度を高くすると、ピンホ
ール（マイクロレンズ）アレイ板５０２近傍では、三次
元像の解像度は、パターンのサンプリング間隔によって
定まるため、その解像度を比較的高くすることができ
る。しかしながらこの場合、三次元実像５０４が観察者
５０５側に飛び出せば飛び出す程、或いは三次元虚像５
０３が観察者５０５から離れれば離れるほど光の回折効
果により解像度は、急激に劣化してしまう。

【００１８】一方、ピンホール（マイクロレンズ）密度
を低くすると、三次元実像が観察者側に飛び出した位置
や、逆に離れる場合は比較的解像度は高く保持される
が、アレイ板５０２近傍では解像度の絶対値自体が低
い。

【００１９】このようにインテグラルフォトグラフィ法
では、立体像の解像度がピンホール或いはマイクロレン
ズのアレイ板５０２からの距離によって急激に低下し、
奥行き方向の解像度を優先した場合にはアレイ板５０２
近傍での解像度の絶対値が低いという問題がある。この
ため奥行きの広い範囲に渡って高解像度の三次元像を形
成することができない問題がある。

【００２０】本発明は、上記問題を解決するために成さ
れたもので、広い奥行き範囲に渡って高解像度の立体像
表示装置を堤供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、表示されるべき立体像に対応した複数の
パターンを平面的に表示させる表示手段と、前記表示手
段の前面或いは後面に設けられ、前記複数のパターンに
対応して複数のピンホール或いはマイクロレンズが平面
的に配置されたアレイ板と、前記アレイ板の前記ピンホ
ール或いは前記マイクロレンズの面内密度を変化させ、
この変化に応じて前記複数のパターンを変化させる可変
手段とを具備し、前記表示手段の後面及び前面の少なく
とも一方に立体像を表示することを特徴とする立体像表
示装置を提供する。

【００２２】また、本発明は、表示されるべき立体像に
対応した複数のパターンを平面的に表示させる表示手段
と、前記表示手段の後面に設けられ、前記複数のパター
ンに対応して複数のＬＥＤが平面的に配置されたアレイ
板と、前記アレイ板の前記ＬＥＤが発光する点光源の面
内密度を変化させ、この変化に応じて前記複数のパター
ンを変化させる可変手段とを具備し、前記表示手段の後
面及び前面の少なくとも一方に立体像を表示することを
特徴とする立体像表示装置を提供する。

【００２３】このとき、前記可変手段は、前記面内密度
を３０Ｈｚから１２０Ｈｚの周波数で変化させることが
好ましい。

【００２４】また、前記表示手段の後面及び前面の両方
に立体像を表示することもできる。

【００２５】インテグラルフォトグラフィや光線再生法
に基づいて視差画像情報の載った光線群により空間中に
立体像を再現する際、ピンホールアレイ或いはマイクロ
レンズの面内密度を３０Ｈｚから１２０Ｈｚの周波数で
変化し、複数のパターンもこのピンホール或いはマイク
ロレンズの密度に応じて変化させる。こうすることによ
って解像度の高い立体像が広い奥行きに渡って再現さ
れ、自然な立体視が可能となる。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明者は、ピンホール或いはマ
イクロレンズ密度と再生される立体像の解像度について
種々検討した。

【００２７】図４は、このときの結果を、横軸をピンホ
ール或いはマイクロレンズの位置を２０００として、０
から３０００まで、縦軸を立体像の解像度として示した
図である。

【００２８】図４中、実線で示すように、ピンホール或
いはマイクロレンズ密度が高い場合には、ピンホール或
いはマイクロレンズのアレイ板近傍では解像度が高い
が、前後に離れるに従い解像度が急激に低下する。ま
た、ピンホール或いはマイクロレンズ密度が低い場合に
は、ピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板近傍で
の解像度は低いが前後に離れた場合の解像度の劣化が比
較的少ない。

【００２９】通常、ピンホール或いはマイクロレンズ密
度が高い場合と低い場合に得られる三次元像を合成した
場合、解像度は密度が高い場合の解像度と低い場合の解
像度のうち低いほうの像で決定されると考えられる。

【００３０】このことは図３に示すように、高解像度の
平面画像（ａ）と、低解像度の平面画像（ｂ）を重ね合
わせた合成画像（ｃ）の解像度が低解像度となることか
らわかる。

【００３１】しかしながら、本発明者が鋭意研究の結
果、図３に示すように、高解像度の平面画像（ａ）と、
低解像度の平面画像（ｂ）を時間的に交互に表示すると
認識される交互に示した画像イメージ（ｄ）は高解像度
となることがわかった。

【００３２】これは高解像度の画像ほど人間の目に残像
として残りやすいためではないかと考えられる。実験の
結果、特に３０Ｈｚから１２０Ｈｚの周波数で、高解像
度画像（ａ）と低解像度画像（ｂ）を交互に表示すると
良好な画像が観測された。本発明は、この視覚の原理を
用いている。

【００３３】すなわち、ピンホール或いはマイクロレン
ズが高密度なアレイ板と低密度なアレイ板を交互に表示
することによって、観測される立体像は、図４に示すピ
ンホール（マイクロレンズ）密度と解像度との曲線のう
ちいずれの距離においても解像度の高い方が見えること
になり、最も上側の線で決まる高解像度立体画像が認識
されることとなる。

【００３４】以下図面を参照して、本発明の立体像表示
装置について具体的に説明する。図１は、本発明の第１
の実施形態にかかる立体像表示装置の構成図である。

【００３５】図１に示すように、この立体像表示装置
は、液晶ディスプレイ等の表示装置１０１と、この前面
に配置され、ニ次元配列されたピンホール或いはマイク
ロレンズのアレイ板１０２からなる簡単な光学系で自然
な三次元像が再生される。

【００３６】表示装置１０１上には、見る角度により微
妙に見え方の違う視差画像群に相当する多数のパターン
が、ピンホール或いはマイクロレンズの一つ一つに対応
して表示される。この視差画像群は例えば表示される像
が立方体であれば、それぞれ見る角度に応じた立方体の
パターンが複数表示されている。観察者１０６側からの
光が前記ピンホール或いはマイクロレンズを通して対応
するパターン（見る角度によって異なるパターン）を観
察すると、表示装置１０１の後面に三次元虚像１０４
（後面側から見ると存在しない像）を観察することがで
きる。

【００３７】また、視差画像群に相当する多数のパター
ンから発せられた光が対応するピンホール或いはマイク
ロレンズを通して発せられ、この光が集光レンズ等によ
って集光されることによって、ピンホール或いはマイク
ロレンズのアレイ板１０２の前面に三次元実像１０５が
形成される。

【００３８】すなわち観察者１０６からピンホール或い
はマイクロレンズのアレイ板１０２を介して表示装置１
０１上のパターンに向かう視差画像光線群によって三次
元虚像１０４を観測でき、表示装置１０１上のパターン
からピンホール或いはマイクロレンズのアレイ板１０２
を通して観察者１０６に向かう視差画像光線群を集光す
ることによって三次元実像１０５が形成される。

【００３９】ここで、液晶ディスプレイ等の表示装置１
０１上に適切なパターンを表示させることによって、三
次元実像１０５のみ、三次元虚像１０４のみ、或いは、
三次元実像１０５と三次元虚像１０４とを同時に表示再
生することができる。三次元実像１０５と三次元虚像１
０４を同時に表示再生する例として、三次元実像１０５
に人体像を表示再生させ、三次元虚像１０４に風景等の
背景を表示させることができる。また、ここでは説明を
容易にするため２つの物体の像しか図示していないが、
再生する三次元像は、液晶ディスプレイの奥から手前ま
で連続的に複数の物体の像を再現することができる。

【００４０】本実施形態では、アレイ板１０２は、多数
のピンホールがアレイ状に形成された液晶ピンホールア
レイから構成されている。この液晶ピンホールアレイ
は、一定ピッチで正方格子状に所定の直径のピンホール
が開口するように、液晶を駆動装置１０３により制御で
きるようになっている。駆動装置１０３は、液晶ピンホ
ールアレイ板１０２のピンホール密度を高速に変化させ
ることが可能となっている。

【００４１】また、表示装置１０１の液晶ディスプレイ
上に表示する多数の視差画像もまたある所定ピッチで表
示される。そして液晶ピンホールアレイ板１０２と同期
し、所定のピンホールに視差画像が対応するように駆動
装置１０３によって駆動される。

【００４２】本実施形態では、ピンホール密度を変化さ
せる駆動方法として、ピンホールの間隔を２種類とし駆
動装置１０３により特定の周期でピンホールの間隔を変
化させた。同時に、液晶ディスプレイ１０１上のパター
ンもこれに同期して移動するようにした。

【００４３】このようにして駆動したときの観測される
立体像について説明する。液晶ピンホールアレイ１０２
を正方格子状に配置し、そのピンホールを２．０ｍｍピ
ッチ及び５．０ｍｍピッチとなるように６０Ｈｚ周期で
交互に変化する。そうすると各ピンホールに相当する光
透過部の直径が１００μｍで形成され、液晶ディスプレ
イ１０１上に視差画像がピンホールのピッチと同様のピ
ッチで表示される。

【００４４】このような条件で駆動したとき、三次元虚
像１０４及び三次元実像１０５は、奥行きの広い範囲に
渡ってはっきりとした立体像が認識され、目の焦点調節
も容易に行われ自然で良質な立体像が観測された。

【００４５】図２は、本発明の第２の実施形態にかかる
立体像表示装置の構成図である。

【００４６】図２に示すように、この立体像表示装置
は、液晶ディスプレイ等の表示装置２０１と、この後面
に配置され、ニ次元配列されたＬＥＤのアレイ板２０２
からなる簡単な光学系で自然な三次元像が再生される。

【００４７】表示装置２０１上には、見る角度により微
妙に見え方の違う視差画像群に相当する多数のパターン
が、後面のＬＥＤ一つ一つに対応して表示される。後面
のＬＥＤからの光がパターンを照らし、このパターンを
観察者１０６から観察すると、表示装置２０１の後面に
三次元虚像２０４（後面側から見ると存在しない像）を
観察することができる。

【００４８】また、二次元に配列されたＬＥＤによっ
て、視差画像群に相当する多数のパターンが照らされ、
発せられた光が集光されることによって、表示装置２０
１の前面に三次元実像２０５が形成される。

【００４９】すなわち二次元配列されたＬＥＤにより照
らされた表示装置２０１上のパターンからの視差画像光
線群によって、三次元虚像２０４を形成でき、前記視差
画像光線群を集光することによって三次元実像２０５が
形成できる。

【００５０】ここで、液晶ディスプレイ等の表示装置２
０１上に適切なパターンを表示させることによって、三
次元実像２０５のみ、三次元虚像２０４のみ、或いは、
三次元実像２０５と三次元虚像２０４とを同時に表示再
生することができる。三次元実像２０５と三次元虚像２
０４を同時に表示再生する例として、三次元実像２０５
に人体像を表示再生させ、三次元虚像２０４に風景等の
背景を表示させることができる。また、ここでは説明を
容易にするため２つの物体の像しか図示していないが、
再生する三次元像は、液晶ディスプレイの奥から手前ま
で連続的に複数の物体の像を再現することができる。

【００５１】本実施形態では、アレイ板２０２は、多数
のＬＥＤがアレイ状に形成されたＬＥＤアレイから構成
されている。このＬＥＤアレイは、一定ピッチで正方格
子状に配置され、駆動装置２０３により発光するＬＥＤ
の個数を制御し、点光源の密度を制御できるようになっ
ている。

【００５２】また、表示装置２０１の液晶ディスプレイ
上に表示する多数の視差画像もまたある所定ピッチで表
示される。そしてＬＥＤのアレイ板２０２と同期し、所
定のＬＥＤに視差画像が対応するように駆動装置２０３
によって駆動される。

【００５３】このような構成を有する立体像表示装置に
おいても、第１の実施形態と同様に解像度が向上され、
よりリアルで自然な立体像が広い範囲で観測される。

【００５４】また、本実施形態では、放射角の異なる２
種類のＬＥＤを用いてもよい。具体的な放射角として３
０度と６０度の２種類を用い、交互に点滅させる。放射
角３０度のＬＥＤは６０度のものに比べ密に配置する。

【００５５】こうすることによって、点光源の疎密を変
化させた場合、密度が小さいときに広い範囲を照射で
き、密度が高いときに狭い範囲を照射できるというよう
に液晶表示装置２０１上の必要な場所だけを照射できる
ためエネルギー効率をあげることができる。また、余分
な場所を照射しないので偽像が発生しないという効果も
ある。

【００５６】なお、本発明は、上述した各実施形態に限
定されるものではない。例えば、表示デバイスとして液
晶ディスプレイの代わりにＣＲＴ、プラズマディスプレ
イ、ＥＬディスプレイなどが用いられても良い。

【００５７】さらに、三次元像に触れたことを感知する
検出器が装置に設けられ、感知した情報をフィードバッ
クして手に抵抗感を与えることもできる。その他、その
詳細は、仕様に応じて適宜変更することもできる。

【００５８】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明では、視差
画像情報の載った光線群により空間中に三次元像を形成
する立体像表示方法において、奥行きの広い範囲に渡っ
て高解像度の立体画像が表示可能な立体像表示装置を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態に係わる立体像表示
装置の概略図。

【図２】 本発明の第２の実施形態に係わる立体像表示
装置の概略図。

【図３】 高解像度画像（ａ）、低解像度画像（ｂ）、
これらを合成した場合の合成画像（ｃ）および交互に表
示した画像イメージ（ｄ）をそれぞれ示す図。

【図４】 ピンホールの疎密と距離に依存して再現され
る三次元像の解像度の変化を示すグラフ。

【図５】 従来の立体像表示装置の概略図。

【符号の説明】

１０１・・・液晶ディスプレイ １０２・・・液晶ピンホールアレイ板 １０３・・・駆動回路 １０４・・・三次元虚像 １０５・・・三次元実像 １０６・・・観察眼 ２０１・・・液晶ディスプレイ ２０２・・・ＬＥＤアレイ板 ２０３・・・駆動回路 ２０４・・・三次元虚像 ２０５・・・三次元実像 ５０１・・・液晶ディスプレイ ５０２・・・ピンホールアレイ板 ５０３・・・三次元虚像 ５０４・・・三次元実像 ５０５・・・観察眼

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表示されるべき立体像に対応した複数のパ
   ターンを平面的に表示させる表示手段と、 前記表示手段の前面或いは後面に設けられ、前記複数の
   パターンに対応して複数のピンホール或いはマイクロレ
   ンズが平面的に配置されたアレイ板と、 前記アレイ板の前記ピンホール或いは前記マイクロレン
   ズの面内密度を変化させ、この変化に応じて前記複数の
   パターンを変化させる可変手段とを具備し、 前記表示手段の後面及び前面の少なくとも一方に立体像
   を表示することを特徴とする立体像表示装置。
2. 【請求項２】表示されるべき立体像に対応した複数のパ
   ターンを平面的に表示させる表示手段と、 前記表示手段の後面に設けられ、前記複数のパターンに
   対応して複数のＬＥＤが平面的に配置されたアレイ板
   と、 前記アレイ板の前記ＬＥＤが発光する点光源の面内密度
   を変化させ、この変化に応じて前記複数のパターンを変
   化させる可変手段とを具備し、 前記表示手段の後面及び前面の少なくとも一方に立体像
   を表示することを特徴とする立体像表示装置。
3. 【請求項３】前記可変手段は、前記面内密度を３０Ｈｚ
   から１２０Ｈｚの周波数で変化させることを特徴とする
   請求項１或いは請求項２記載の立体像表示装置。
4. 【請求項４】前記表示手段の後面及び前面の両方に立体
   像を表示することを特徴とする請求項１或いは請求項２
   記載の立体像表示装置。