JP2003161911A - サイドスクリーン方式による３次元表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】肉眼で周囲３６０度、上下２４０度の視野角を
持つファントム性を帯びない完全な３次元画像表示装置 【解決手段】回転スクリーンの回転角度に応じてスクリ
ーン面上に投影または描画される表示対称の像の断面画
像または映像の瞬時における視認範囲をその回転角度に
おけるスクリーンの側面に垂直な方向のみに限定するサ
イドスクリーン方式で、２枚の面スクリーンを適当な間
隔を保持するように設置して、投影側のスクリーン面を
通過する各々の画像光束を用いて他方のスクリーン面及
び投影側のスクリーン面間の間隙内に誘起した個々の光
束の多重反射を、これらのスクリーンの間隙に挟まれた
空間内で且つスクリーンの外部に位置する視点への点光
源として表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】先に出願（特願2001−068071）した簡易3
次元表示装置（３-D volumetricdisplay）は、現行の
高価格な3次元表示装置に代わる簡単な機構装置により
手軽に3次元像（３−D Volumetric Image）を得る為
の発明であり、学術的な用途よりも利用面での実践的な
機能を優先させたものであった。

【０００２】ここに提示する本発明の3次元表示装置は
上記の簡易３次元表示に比べて、学術的及び研究的な表
示要求にも耐える真の3次元表示を可能にしたものであ
る。

【０００３】従来から完全な3次元画像（又は映像、以
下画像で統一する）を得るための各種の研究がされて来
ているが、何れも現在までの成果として共通に挙げられ
るものに画像のファントム（Phantom）性の問題があ
る。

【０００４】画像のファントム性も表示分野(例えば、
医学や化学)によっては有意であるが、やはり一般の観
察者には幽霊(ファントム)の様な透いて見える淡い線画
像に過ぎない印象を与える事は避けられず、市場が完全
な３次元画像に期待する「色彩や立体感及び質感」を伴
う表示には程遠いものがある。

【０００５】この結果は、以前より３次元表示技術の本
命と言われているホログラフィ技術の現状の成果につい
ても同様である。

【０００６】３次元表示の必要とその利用分野が叫ばれ
て久しいにも関わらず３次元表示の市場が開花しない原
因は、極言すればこの画像のファントム性の問題にある
と言える。

【０００７】画像のファントム性とは画像表示での面表
示機能の欠如を意味し、２次元CADの世界で言う「面の
塗りつぶし‐シェーディング」に相当する機能の欠如を
意味するものである。

【０００８】３次元画像の表示原理は、Voxel単位で定
義された３次元形状の各断面図を回転するスクリーン又
はディスプレイ上に連続して高速で反復投影した画像か
ら誘起される肉眼の残像効果を利用しての３次元化が主
流であり、現状では視覚的にも完全な３次元画像が得ら
れる最も確実で且つ技術的にも実用化が容易な方式であ
ると言える。

【０００９】しかし、この方式も表示対象の各断面図の
正面画像を用いる事を前提とするために、表示原理から
も観察者の視点からも３次元のファントム画像しか得ら
れない欠点がある。

【００１０】この理由は通常は外部から見えない表示対
象の内部断面の正面画像を肉眼の残像効果の対象に用い
るからであり、もし肉眼の残像効果の対象に断面の側面
画像（サイド画像）を用いる事が出来るなら画像のファ
ントム性の問題は解決する。

【００１１】内部断面の側面（サイド）画像を用いる事
は、観察者に対象の表示画像を常に現実の世界と同等に
外から眺めるという視点環境を与える事であり、従来の
２次元CADの面画像の表示に見られるのと同様の自然な
色彩と且つ立体感と質感を伴った３次元の面画像が自動
的に生成できる‐即ち、真の３次元画像の表示が可能に
なる。

【００１２】この表示方式の利点は、従来の回転スクリ
ーン方式での３次元表示処理の過程を何等変える必要は
なく、単に観察者が眺められる残像効果の対象を３次元
表示物の各断面の正面画像から側面画像（サイド画像）
に切り替えるだけで済む事である。

【００１３】本発明の完全３次元表示装置は表示対象の
断面図の側面画像を表示する手段として、サイドスクリ
ーン方式を採用する事でこの問題を解決したものであ
る。

【発明の属する技術分野】

【００１４】本発明は画像または映像を縦、横、高さを
伴って表示させる３次元表示の技術とその装置に属する
発明である。

【従来技術】

【００１５】従来の３次元表示技術と言われるものには
大別して２つある。

【００１６】１つは表示対象の画像または映像に奥行き
感を与えるもので、特殊な眼鏡やヘッド装置の装着の有
無はあるが、表示対象の２次元画像又は映像に肉眼上の
視差効果を与え全体として奥行き感（立体感）を伴う画
像または映像の生成を目的とするものである。

【００１７】この効果の実現には肉眼の左右の視点から
見た画像を交互に生成したり又は蒲鉾型レンズ等を用い
たりする視差方式が一般的であるが、いずれの方式も奥
行きを伴って見える視野や方向が限られる欠点があり真
の意味での３次元表示とは言えない。

【００１８】もう一方は表示対象の画像又は映像を空間
の任意の視点から自由に眺めることができ且つその視点
位置に応じて対象の形状が変化して見える真の意味での
３次元表示であり、本発明で述べる３次元表示とは一貫
してこれを意味する。

【００１９】図１は従来の主流である３次元表示方式を
示し、視点（Ｐ）から眺めた３次元表示対象の断面画像
（Ｄ）を高速画像表示装置やレーザースキャナー等を用
いて生成又は描画し、反射鏡（Ｍ１及びＭ２）を介して
高速で回転する半透明のスクリーン（Ｓ）に同期して投
影することを示している。

【００２０】この過程を多数の視点から見た断面画像に
ついて高速で連続反復すると、肉眼の残像効果が誘起さ
れスクリーン上に表示対象全体の３次元画像が知覚生成
されて見える（U.S. Pat No.5042909, U.S. Pat No.51
48310等）。

【００２１】既に述べたようにこの方式での問題点は表
示対象の各視点方向別の正面断面画像を用いる事から必
然的に起こる生成画像のファントム化であり、この方式
を採用する限りこの結果から逃れることは不可能であ
る。

【００２２】表示対象の断面画像を用いる事は3次元画
像の表示上で言えば、表示対象の3次元形状を定義した
計算機メモリー内のVoxel位置を空間に表示する事と同
じ意味を持つが、残念ながら現在までの発光物性の研究
開発では上記のvoxeｌ位置を空間（3次元的）に直接に
表示できる素材は未だに開発されていない。

【００２３】現在下の主流である高速に回転するスクリ
ーン面上に表示対象の各断面画像を投影する方式も、実
は肉眼の残像効果を利用して視覚可能なvoxel空間を擬
似的に形成する現在の技術レベルにおける対応手段に過
ぎない。

【００２４】この方式はホログラフィ技術等、現在研究
されている各種の肉眼で観察できる3次元表示技術の中
では一番実用化に近いものであるが、ファントム画像の
生成しか得られないという共通の問題がある事は先に述
べた通りである。

【００２５】本発明の表示方式はこの問題を初めて完全
に解決したものである。

【発明が解決しようとする問題】

【００２６】ファントム画像でない自然な色彩と立体
感、及び質感を持つ３次元画像の生成を可能にする表示
方式とその装置の発明である。

【課題を解決するための手段】

【００２７】３次元表示に、表示対象物の各視点方向別
に生成した断面図の正面画像を用いる方式から断面図の
側面画像（サイド画像）を用いる方式に改める。

【００２８】この方式ではスクリーンに投影される表示
対象の内部までを眺める事になる従来方式とは異なっ
て、常に観察者の視点環境を表示対象の外側に置く事に
なるためファントム性を帯びない自然な立体感と質感を
伴った真の３次元画像が自動的に生成できる。

【発明の実施の形態】

【００２９】図２は本発明方式でのサイドスクリーンの
構造を示したものであり、表示対象の各断面図（正面断
面図）の投影画像の光束は後述する装置の光学系を経
て、適当な間隙を保ち設置された２つのスクリーンの片
側の投影画像の受光面であるスクリーンS1に投影され
る。

【００３０】次にスクリーンS1を透過した画像光束は、
間隙（G）を通過しスクリーンS2で反射して再びスクリ
ーンS1に戻るが、スクリーンS1のハーフコーティングフ
ィルム（2）で再びスクリーンS2に向かって反射され、
間隙（G）内ではこうした多重反射が繰り返される。

【００３１】スクリーンS1上に投影される断面画像の位
置関係はVoxel単位で表わされるから、もしレーザー等
の十分な強度の光束を用いれば、適当なVoxel単位に調
整されたスリーンS1とスクリーンS2の間隙（G）内の個
々の多重反射は、スクリーンの間隙(G)に挟まれた空間
に位置する視点（P1及びP2）から見れば各断面の側面画
像(サイド画像)を表わす個々のVoxel光源として機能す
る事になる。

【００３２】図３はこのサイドスクリーンの断面図と視
点との関係を示したものである。

【００３３】投影画像の光束の受容面であるスクリーン
S1は適当な屈折率を有する透明な平板（１）とハーフコ
ーティングを施したフィルム（２）で構成されており、
入力画像の光束を一方向に透過させる機能を果たす。

【００３４】スクリーンS2は内側の透明な平板（3）と
背後の遮光フィルム（４）で構成される。

【００３５】サイドスクリーンの変形として、サイドス
クリーンの間隙(G)を液晶の面材で補填し且つ図２のフ
ィルム（２）に光電特性を持つ素材を用いれば、スクリ
ーンS1の投影光束を利用して断面図の側面画像を表示す
る有効な光源が得られる。

【００３６】図4にこのサイドスクリーンの断面構成図
を示す。

【００３７】スクリーンS１はガラス面（５）上の極細
の格子状電極（６）に光電特性を持つ被膜（８）を配し
たものであり、スクリーンS２はガラス面（５）に同じ
極細の格子状電極（６）を配したもので、スクリーンS
１及びS２の間隙には液晶の面材（７）が挟み込まれて
いる。

【００３８】スクリーンS１に投影される画像の個々の
光束（９）は被膜（８）中にその個々の入射位置に応じ
た光電効果を誘起し、S１上の電極（６）とこれに向か
い合ったスクリーンS２上の電極（６）との間に間隙内
の液晶（７）を通して差局所的な電位変化を形成する。

【００３９】液晶（７）はこの電位変化により透過性を
変えられ、光束（９）の入射点の近傍の液晶中（７）中
に、外部視点（P１及びP２）から視認出来る画像光源と
しての局所的な光学経路（１０）を発生させる。

【００４０】図５には本発明のサイドスクリーンを使用
した３次元表示装置の具体例を示す。

【００４１】保護カバーである半球状のドーム（１１）
は透明な材質で構成されたもので、その内部にはドーム
（１１）と適当な間隙を有して半透明の半球状のドーム
（１２）が設置されている。

【００４２】サイドスクリーン（１３）は半球状のドー
ムに内接して円筒状回転容器（２３）の直径方向に垂直
に固定して設置されており、常にドーム（１２）及び容
器（２３）と共に一体化して回転するようになってい
る。

【００４３】また半球状ドーム（１２）の内面には、サ
イドスクリーンの間隙部分を除き、外部への光線を遮断
する遮光コーティングが施されている。

【００４４】スクリーン（１３）の下部の矩形状の切込
み部（１４）には容器（２３）の底部の中心部から導か
れた光束を反射する平面鏡（１５）が傾けて固定設置さ
れており、平面鏡（１５）で反射された光束は、回転容
器（２３）の周辺部の適当な位置に平面鏡（１５）と向
かい合って斜めに固定設置された平面鏡（１６）で反射
されてサイドスクリーン（１３）に導かれる。

【００４５】装置（２４）の底辺（２５）の中心部には
平面反射鏡（１８）が傾けて固定設置されており、これ
に向かい合って設置されているレーザー画像投影装置
（１９）で投影された画像光束を反射して、回転容器
（２３）の底辺の中心部に垂直に導く働きをする。

【００４６】ダブプリズム（１７）は回転容器（２３）
の底部の中心部に固定されており、固定反射鏡（１８）
の画像に反射鏡（１５）の回転で起こる捩れを補正（回
転補正）する役割を果たす。

【００４７】画像処理装置（２０）はサイドスクリーン
（１３）の回転角に応じた表示対象物の各々の角度断面
図（Voxel画像）の作成を高速で連続処理し、その結果
を順次にレーザー画像投影装置（１９）へ送り込む。

【００４８】レーザー画像投影装置（１９）はサイドス
クリーン（１３）の回転に同期して、その回転角に応じ
た断面画像を順次に高速で連続して反復投影する。

【００４９】適当な間隔で内部に均等に配置された磁石
（２６）を有すリング状の回転子（２１）は、同じリン
グ状の固定子（２２）の内側にはめ込まれた電磁石（２
７）で発生される回転磁界によって回転運動を与えられ
る。

【００５０】ドーム(１２)及び容器（２３）はリング回
転子（２１）に固定されており、常に回転子（２１）と
一体化した回転運動を行う。

【００５１】また極性の向きを同じにして内部に埋め込
まれた磁石(２６)を持つ回転子（２１）は、同様にして
固定子（２２）の内部に埋め込まれた電磁石(２７)との
間の磁力反発により、回転摩擦の影響を受けない浮遊ベ
アリングとしての機能も果たす。

【００５２】リングモーターによるドーム（１２）の回
転駆動は物理的な回転軸を要しないために、装置全体の
内部空間を有効に使え、また電動機(モーター)を使用す
る機械的駆動方式に比べて高速時でも安定した回転運動
が得られる事、及びドーム（１２）の大型化に伴う回転
駆動力の増大要求にも容易に対処できる利点がある。

【００５３】図６は本装置でのリングモーターの回転子
（２１）と固定子（２２）の部分断面図を示したもので
ある。

【００５４】図７はサイドスクリーンの投影画像の受容
面（投影面）側に高輝度のLEDアレイパネルを使用し
て、表示対象の各断面図の画像を直接に投影する例を示
したものである。

【００５５】図８はその断面図を示したもので、高輝度
LEDアレイパネル（２９）は透明な薄板（２８）に固定
され、各ピクセル光源（３０）から出る光束は適当な間
隙を有して平行に設置されたLEDパネル（３１）で反射
され、薄板(２８)との間で多重反射を繰り返す。

【００５６】こうした装置はLEDパネル（３１）の透過
性を制御することでスクリーンの側面(サイド)のみでな
く、必要に応じて（例えば、ファントム画像等の内部断
面図を表示したい場合）正面部までを表示する事が出来
るし、また高速画像表示装置を介するスクリーン投影方
式に比べて、スクリーンの回転による画像の歪みの補正
を考慮する必要が無くなるので表示装置全体の簡素化が
図れる。

【発明の効果】

【００５７】３次元表示という言葉が表示市場に定着し
て久しいが、市場は未だに真の３次元表示を体験してい
ない。 本発明の３次元表示方式により現今の３次元表
示での問題点である画像のファントム性を解決できるの
で、我々が自然界に存在する物を通常に眺めるのと同様
に自然な色彩と立体感、及び質感を伴った真の３次元画
像の生成が初めて可能になる。

【００５８】本発明の３次元表示方式とその装置によ
り、現今の平坦な表示レベルに留まっている２次元の画
像や映像の世界に肉眼で観察できるボリュームと質感を
伴った真の３次元表示をもたらす事ができる。

【００５９】また本発明により、市場は初めて高さを伴
う真の３次元表示の価値を経験することになり、これを
用いた種々の応用産業の誕生を誘起する事が出来る。

【００６０】一例として、希求されていた３次元の航空
管制用表示装置も本発明で実現出来る。

【００６１】また本発明による表示装置の市場浸透は種
々の３次元表示コンテンツへの要求を喚起するから、新
たな３次元表示コンテンツ産業と市場の形成にも繋が
る。

【００６２】

【図面の簡単な説明】

【図１】 回転スクリーンを用いた３次元表示の原理
図

【図２】 サイドスクリーンの概略図

【図３】 サイドスクリーンの断面図

【図4】 液晶利用のサイドスクリーンの断面図

【図５】 ３次元表示装置の透視図

【図６】 リングモーターの部分断面図

【図７】 LEDアレイパネル使用のサイドスクリーン
例

【図８】 LEDアレイパネル使用のサイドスクリーン
の断面図

【００６３】

【符号の説明】

１． 透明板 ２． ハーフコーティングフィルム ３． 透明板 ４． 遮光フィルム ５． 面ガラス ６． 格子状電極 ７． 液晶 ８． 光電特性を持つ薄膜 ９． 画像光束 １０． 液晶中に形成された光学経路 １１． 半球状の保護ドーム １２． 半球状の回転ドーム １３． サイドスクリーン １４． 矩形状の切込み部分 １５． 平面反射鏡 １６． 平面反射鏡 １７． ダブプリズム １８． 平面斜鏡 １９． レーザー画像投影装置 ２０． 高速画像処理装置 ２１. リングモーターの回転子 ２２． リングモーターの固定子 ２３． 回転容器 ２４． 表示装置の外枠 ２５． 表示装置の底板 ２６． リングモーター回転子内部の永久磁石 ２７． リングモーター固定子内部の電磁石 ２８． 透明平板 ２９． LEDアレイパネル ３０． LEDアレイパネル内のピクセル光源 ３１． LEDパネル Ｓ1 サイドスクリーンの片側の投影画像の受光面 Ｓ２ サイドスクリーンの片側の反射面 Ｇ サイドスクリーンの側面部の間隙 P1,P2 観察者の視点 ａ,ｂ,ｃ,ｄ,ｅ サイドスクリーン受光面の光束の
入射点 a',ｂ',ｃ', d',ｅ' サイドスクリーン反射面の光束
の反射点 Ｓ 回転スクリーン T 回転板 M1,M2 反射鏡 D 断面画像 P 視点

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） Ｇ０９Ｇ 3/20 ６８０ Ｇ０９Ｇ 3/20 ６８０Ｃ Ｈ０４Ｎ 13/04 Ｈ０４Ｎ 13/04

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転スクリーンを用いてスクリーンの回転
   角に対応した表示対象の断面図をスクリーン上に連続反
   復して描画又は投影する３次元表示装置(３D Volumetri
   cDisplay)に於いて、ファントム（Phantom）性を帯びな
   い３次元の画像又は映像の生成を可能にするため、回転
   スクリーンの回転角度に応じてスクリーン面上に投影又
   は描画される表示対象の断面画像又は映像の瞬時に於け
   る視認範囲を、その回転角度に於けるスクリーンの側面
   (サイド)に垂直な方向のみに限定して表示する方式
2. 【請求項２】請求項１に関する手段として、２枚の面ス
   クリーンを適当な間隙を保持するように設置して、投影
   側のスクリーン面を通過する各々の画像光束を用いて他
   方のスクリーン面及び投影側のスクリーン面間の間隙内
   に誘起した個々の光束の多重反射を、これ等のスクリー
   ンの間隙に挟まれた空間内で且つスクリーンの外部に位
   置する視点への点光源として表示するサイドスクリーン
   方式
3. 【請求項３】請求項２に関して、適当な間隔で向かい合
   った２つのスクリーン面の一方をガラス面上に格子状の
   電極を配した構成とし、他方をガラス面上の格子状電極
   に光電（Photo-voltaic）特性を有す被膜を配した構成
   とする２つのスクリーン間の間隙を液晶素材で補填した
   機構のサイドスクリーンに於いて、後者のスクリーン面
   を透過する投影画像の光束によって被膜中の特定の位置
   に誘起される光電特性の変化を液晶の特定の位置に於け
   る透過度の制御に用いて液晶中に個々の光学経路を生成
   して、これ等を外部から視認できる個々の点光源として
   使用する方式
4. 【請求項４】請求項１から請求項３の一部又は全部を利
   用して行う３次元表示又は３次元表示装置又は関連分野
   への応用
5. 【請求項５】請求項１から請求項３に関する３次元表示
   装置の回転駆動方式として、リングモーターを用いてス
   クリーン及びスクリーンに付随するドーム又は容器等を
   一体化して回転駆動する方式
6. 【請求項６】請求項５に関して、回転部の支持（ベアリ
   ング）機構にリングモーターの回転子及び固定子に埋め
   込んだ各々の磁石間の磁力反発を用いて回転部全体を中
   空に支持する方式