JP2005099425A - 三次元表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、眼鏡を用いないで簡単に三次元立体像が表示可能な三次元表示装置を提供する。
【解決手段】 ｎ（ｎ≧２）個の二次元像を所定間隔をおいて同時に表示する表示装置と、前記表示装置の観察者側に配置され、前記ｎ個の二次元像を前記観察者の視線上の像として前記観察者に提示する光学系と、前記ｎ個の二次元像の輝度あるいは透過度を変化させる手段とを備え、前記ｎ個の二次元像は、観察者から見て異なった奥行き位置にあるｎ個の表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像であり、前記手段は、前記ｎ個の二次元像の輝度あるいは透過度をそれぞれ独立に変化させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、眼鏡を用いないで三次元立体像が表示可能な三次元表示装置に係わり、特に、装置構成が簡単で、かつ、コンパクトな三次元表示装置に関する。

本発明者らは、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、眼鏡を用いないでカラー画像の三次元立体像が表示可能なＤＦＤ（Depth Fused 3D）方式の三次元表示装置を提案している（例えば、特許文献参照。）。
図４は、従来のＤＦＤ（Depth Fused 3D）方式の三次元表示装置の概略構成を示す図であり、前述の特許文献に図１として図示されている三次元表示装置である。
同図に示すように、従来の三次元表示装置は、観察者１００の前面に複数の表示面、例えば、表示面（１０１，１０２）（表示面１０１が表示面１０２より観察者１００に近い）を設定し、これらの表示面（１０１，１０２）に複数の二次元像を表示するために、二次元表示装置と種々の光学素子を用いて光学系１０３を構築する。
以下、図４ないし図９を用いて、ＤＦＤ（Depth Fused 3D）方式の三次元表示装置の表示原理について説明する。

図５に示すように、観察者１００に提示したい三次元物体１０４を、観察者１００の両眼の視線方向から、前述の表示面（１０１，１０２）へ射影した像（以下、「２Ｄ化像」と呼ぶ）（１０５，１０６）を生成する。
この２Ｄ化像の生成方法としては、例えば、視線方向から物体１０４をカメラで撮影した二次元像を用いる方法、あるいは別の方向から撮影した複数枚の二次元像から合成する方法、あるいはコンピュータグラフィックによる合成技術やモデル化を用いる方法など種々の方法がある。
そして、図４に示すように、前記２Ｄ化像（１０５，１０６）を、各々表示面１０１と表示面１０２の双方に、観察者１００の右眼と左眼とを結ぶ線上の一点から見て重なるように表示する。
これは、例えば、２Ｄ化像（１０５，１０６）の各々の中心位置や重心位置の配置と、各々の像の拡大・縮小を制御することで可能となる。
本発明の基本となる三次元表示装置の重要な要点は、前記構成を有する装置上で、２Ｄ化像（１０５，１０６）の各々の輝度を、観察者１００から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、三次元物体１０４の奥行き位置に対応して変えることである。

その変え方の一例を以下に述べる。なお、ここでは、白黒図面であるため、分かりやすいように、以下の図面では輝度の高い方を濃く示してある。
例えば、三次元物体１０４が表示面１０１上にある場合には、図６に示すように、この上の２Ｄ化像１０５の輝度を三次元物体１０４の輝度に等しくし、表示面１０２上の２Ｄ化像１０６の輝度はゼロとする。
次に、例えば、三次元物体１０４が観察者１００より少し遠ざかって表示面１０１より表示面１０２側に少し寄った位置にある場合には、図７に示すように、２Ｄ化像１０５の輝度を少し下げ、２Ｄ化像１０６の輝度を少し上げる。
さらに、例えば、三次元物体１０４が観察者１００よりさらに遠ざかって表示面１０１より表示面１０２側にさらに寄った位置にある場合には、図８に示すように、２Ｄ化像１０５の輝度をさらに下げ、２Ｄ化像１０６の輝度をさらに上げる。

遂に、例えば、三次元物体１０４が表示面１０２上にある場合には、図９に示すように、この上の２Ｄ化像１０６の輝度を三次元物体１０４の輝度に等しくし、表示面１０１上の２Ｄ化像１０５の輝度はゼロとする。
このように表示することにより、観察者（人）１００の生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示しているのが２Ｄ化像（１０５，１０６）であっても、観察者１００にはあたかも表示面（１０１，１０２）の中間に三次元物体１０４が位置しているように感じられる。
即ち、例えば、表示面（１０１，１０２）にほぼ等輝度の２Ｄ化像（１０５，１０６）を表示した場合には、表示面（１０１，１０２）の奥行き位置の中間付近に三次元物体１０４があるように感じられる。

特許第３０２２５５８号公報

前述した二次元表示装置としては、例えば、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＦＥＤディスプレイ、プロジェクション型ディスプレイ、線描画型ディスプレイなどを用い、光学素子としては、例えば、レンズ、全反射鏡、部分反射鏡、曲鏡、プリズム、偏光素子、波長板などを用いる。
そのため、前述した三次元表示装置は、前述の特許文献の実施の形態３以降に記載しているように、二次元表示装置が少なくとも２台以上必要となり、装置構成が複雑になるという問題点があった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、眼鏡を用いないで、一台の表示装置を使用して、簡単に三次元立体像が表示可能な三次元表示装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、一般の家庭などで複数の表示装置が存在しない環境でも、生理的要因間での矛盾が少なく、簡単に三次元立体像が表示可能な三次元表示装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
前述の課題を解決するために、本発明では、ｎ（ｎ≧２）個の二次元像を同一平面上で所定間隔をおいて同時に表示する表示装置と、前記表示装置の観察者側に配置され、前記ｎ個の二次元像を前記観察者の視線上の像として前記観察者に提示する光学系と、前記ｎ個の二次元像の輝度あるいは透過度を変化させる手段とを備える三次元表示装置であって、前記ｎ個の二次元像が、観察者から見て異なった奥行き位置にあるｎ個の表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像であり、前記手段が、前記ｎ個の二次元像の輝度あるいは透過度をそれぞれ独立に変化させることを特徴とする。
また、本発明では、ｎ個（ｎ≧２）の二次元像が所定間隔をおいて印刷された表示体と、前記表示体の観察者側に配置され、前記ｎ個の二次元像を前記観察者の視線上の像として前記観察者に提示する光学系とを備え、前記ｎ個の二次元像は、観察者から見て異なった奥行き位置にあるｎ個の表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像であり、前記表示体には、透過度あるいは反射率を各々独立に変化させて前記ｎ個の二次元像が印刷されていることを特徴とする。（この部分追加）
前記光学系は、ミラーと、ハーフミラーを含む光学系、あるいは、プリズムを含む光学系で構成する。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明によれば、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、眼鏡を用いないで、一台の表示装置を使用して簡単に、カラー画像の三次元立体像を表示することが可能となる。特に、一般の家庭などで複数の表示装置が存在しない環境でも、簡単にカラー画像の三次元立体像が表示することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１の三次元表示装置の概略構成を示す図である。
同図に示すように、本実施例の三次元表示装置は、表示装置２００と、観察者から見て表示装置２００の前方に配置される反射ミラー（２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ）と、ハーフミラー２１１とを備える。
表示装置２００には、前面用の二次元像２０１と、後面用の二次元像２０２とが表示される。ここで、反射ミラー（２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ）と、ハーフミラー２１１とは、前面用の二次元像２０１と、後面用の二次元像２０２とを、観察者の視線上の像として観察者に提示する光学系を構成する。
前面用の二次元像２０１は、前述の図５に示す２Ｄ化像１０５であり、後面用の二次元像２０２は、前述の図５に示す２Ｄ化像１０６である。これらの二次元画像は、モノクロ、あるいはカラーの画像であってもよい。
ここで、表示装置２００は、例えば、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＦＥＤディスプレイ、プロジェクション型ディスプレイ、線描画型ディスプレイ、有機エレクトロルミネセンス表示装置、あるいは、無機エレクトロルミネセンス表示装置などで構成される。
なお、以下の説明では、表示装置２００として、自発光形表示装置（例えば、有機エレクトロルミネセンス表示装置、あるいは、無機エレクトロルミネセンス表示装置等）を使用する場合について説明する。

表示装置２００は、左右方向、あるいは上下方向に所定間隔をおいて、前面用の二次元像２０１と、後面用の二次元像２０２を表示する。
そして、前面用の二次元像２０１と、後面用の二次元像２０２とは、ミラー（２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ）と、ハーフミラー２１１とから成る光学系により、観察者の視線上の像として観察者に提示される。
この場合に、前面用の二次元像２０１と、後面用の二次元像２０２との間の間隔、例えば、図１に示すように、表示装置２００の中心点を通る直線からの各二次元像（２０１，２０２）までの距離を変えることにより、観察者から前面用の二次元像２０１までの光学距離と、観察者から後面用の二次元像２０２までの光学距離を変えることができる。
本実施例では、観察者から後面用の二次元像２０２までの光学距離を、観察者から前面用の二次元像２０１までの光学距離よりも長くする。
したがって、本実施例の三次元表示装置は、図２に示す三次元表示装置と光学的に等価になる。
なお、図２において、１１１は、前面用の二次元像２０１が表示される表示面、１１２は、後面用の二次元像２０２が表示される表示面であり、表示面１１１と表示面１１２との間の距離はＴである。
ここで、Ｔは、前述したように、前面用の二次元像２０１と、後面用の二次元像２０２との間の間隔を変えることにより変化できる。
したがって、本実施例の三次元表示装置は、前述した〔本発明の基本となる三次元表示装置の表示原理〕に基づき、三次元立体像を表示することが可能となる。

［実施例２］
図３は、本発明の実施例２の三次元表示装置の概略構成を示す図である。
同図に示すように、本実施例の三次元表示装置は、表示装置２００と、観察者から見て表示装置２００の前方に配置されるルーバー２２１と、プリズム２２０とを備える。
表示装置２００には、前面用の二次元像２０１と、後面用の二次元像２０２とが表示される。ここで、プリズム２２０は、前面用の二次元像２０１と、後面用の二次元像２０２とを、観察者の視線上の像として観察者に提示する光学系を構成する。
表示装置２００は、左右方向、あるいは上下方向に所定間隔をおいて、前面用の二次元像２０１と、後面用の二次元像２０２を表示する。
前面用の二次元像２０１は、前述の図５に示す２Ｄ化像１０５であり、後面用の二次元像２０２は、前述の図５に示す２Ｄ化像１０６である。これらの二次元画像は、モノクロ、あるいはカラーの画像であってもよい。
プリズム２２０は、前面用の二次元像２０１が観察者側に出射し、かつ、後面用の二次元像２０２が観察者側に出射するように、出射面の角度が決定されている。
さらに、ルーバー２２１は、前面用の二次元像２０１の照射方向と、後面用の二次元像２０２の照射方向とが、それぞれプリズム２２０の方向となるようにして、前面用の二次元像２０１、および後面用の二次元像２０２が、一定の方向からプリズム２２０に入射されるようにする。
なお、プリズム２２０は、図３に示すように、同一形状プリズムが複数組み合わさったプリズムアレイで構成してもよいし、異なる形状のプリズムの集合体でもよい。特に、プリズムの大きさが微少であるマイクロプリズムの集合体を用いると、プリズムの周期で表示画像が乱れにくく画質が向上する。

したがって、本実施例では、前面用の二次元像２０１と、後面用の二次元像２０２とは、プリズム２２０から成る光学系により、観察者の視線上の像として観察者に提示される。
この場合に、プリズム２２０から前面用の二次元像２０１までの光学距離と、プリズム２２０から後面用の二次元像２０２までの光学距離とが異なるように、プリズム２２０の出射面の角度と配置位置を決定する。
本実施例では、観察者から後面用の二次元像２０２までの光学距離を、観察者から前面用の二次元像２０１までの光学距離よりも長くする。
したがって、本実施例の三次元表示装置は、図２に示す三次元表示装置と光学的に等価になる。ここで、Ｔは、前述したように、プリズム２２０の出射面の角度と配置位置を変えることにより変化できる。
したがって、本実施例の三次元表示装置は、前述した〔本発明の基本となる三次元表示装置の表示原理〕に基づき、三次元立体像を表示することが可能となる。
このように、本実施例の三次元表示装置は、一個の表示装置２００の観察者側の前方に、光学系（実施例１のミラーおよびハーフミラー、実施例２のプリズム）を配置するだけであるので、本実施例の三次元表示装置では、図４に示す従来の三次元表示装置に比して、構成を簡略化することが可能となる。

なお、前述の説明では、例えば、三次元物体全体の奥行き位置を、表示装置２００に表示した前面用の二次元像２０１と、後面用の二次元像２０２とを用いて表現する方法および装置について主に述べたが、本実施例の三次元表示装置は、前述の特許文献に記載したように、三次元物体自体が有する奥行きを表現する方法及び装置としても使用できる。
同様に、本実施例の三次元表示装置は、前述の特許文献に記載したように、三次元物体自体が移動する場合にも使用できる。
２Ｄ化像が三次元的に移動する場合、観察者の左右上下方向への移動に関しては通常の二次元表示装置の場合と同様に表示装置内での動画再生によって可能であり、奥行き方向への移動に関しては、前述の特許文献に記載したように、表示装置２００に表示した前面用の二次元像２０１と、後面用の二次元像２０２とに表示される２Ｄ化像の輝度の変化を時間的に行うことで、三次元像の動画を表現することができる。
また、表示装置２００に表示する二次元像は、３個以上であってもよい。

さらに、表示装置２００は、液晶ディスプレイなどの透過型表示装置であってもよい。表示装置２００が液晶ディスプレイなどの透過型表示装置の場合に、前述したＤＦＤ（Depth Fused 3D）方式により、三次元立体像を観察者に提示するためには、図４に示す２Ｄ化像（１０５，１０６）の各々の透過度を、観察者１００から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、三次元物体１０４の奥行き位置に対応して変えるようにする。
例えば、図６に示すように、三次元物体１０４が表示面１０１を構成する透過型表示装置上にある場合には、この上の２Ｄ化像１０５の透過度を三次元物体１０４の輝度に等しくし、表示面１０２を構成する透過型表示装置上の２Ｄ化像１０６の透過度を、その透過型表示装置の最大値とする。
また、図７に示すように、三次元物体１０４が観察者１００より少し遠ざかって表示面１０１を構成する透過型表示装置より表示面１０２を構成する透過型表示装置側に少し寄った位置にある場合には、２Ｄ化像１０５の透過度を少し増加させ、２Ｄ化像１０６の透過度を少し減少させる。

また、図８に示すように、三次元物体１０４が観察者１００よりさらに遠ざかって表示面１０１を構成する透過型表示装置より表示面１０２を構成する透過型表示装置側にさらに寄った位置にある場合には、２Ｄ化像１０５の透過度をさらに増加させ、２Ｄ化像１０６の透過度をさらに減少させる。
さらに、図９に示すように、三次元物体１０４が表示面１０２を構成する透過型表示装置上にある場合には、この上の２Ｄ化像１０６の透過度を三次元物体１０４の輝度に等しくし、表示面１０１を構成する透過型表示装置上の２Ｄ化像１０５の透過度を、その透過型表示装置の最大値とする。
さらに、表示装置２００に代えて、複数の２次元像が印刷された印刷物（表示体）を使用してもよい。
表示装置２００に代えて、複数の２次元像が印刷された印刷物を使用する場合には、前記表示体には、透過度あるいは反射率を各々独立に変化させて複数の二次元像を印刷するようにすればよい。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

本発明の実施例１のＤＦＤ（Depth Fused 3D）方式の三次元表示装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施例１の三次元表示装置と光学的に等価な三次元表示装置を示す図である。 本発明の実施例２のＤＦＤ（Depth Fused 3D）方式の三次元表示装置の概略構成を示す図である。 従来のＤＦＤ（Depth Fused 3D）方式の三次元表示装置の概略構成を示す図である。 ＤＦＤ（Depth Fused 3D）方式の三次元表示装置において、各表示面に表示する２Ｄ化像の生成方法を説明するための図である。 ＤＦＤ（Depth Fused 3D）方式の三次元表示装置の表示原理を説明するための図である。 ＤＦＤ（Depth Fused 3D）方式の三次元表示装置の表示原理を説明するための図である。 ＤＦＤ（Depth Fused 3D）方式の三次元表示装置の表示原理を説明するための図である。 ＤＦＤ（Depth Fused 3D）方式の三次元表示装置の表示原理を説明するための図である。

符号の説明

１００ 観察者
１０１，１０２，１１１，１１２ 表示面
１０３ 光学系
１０４ 三次元物体
１０５，１０６ ２Ｄ化像
２００ 表示装置
２０１，２０２ 二次元像
２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ 反射ミラー
２１１ ハーフミラー
２２０ プリズム
２２１ ルーバー

Claims (6)

1. ｎを２以上の整数とするとき、ｎ個の二次元像を同一平面上で所定間隔をおいて同時に表示する表示装置と、
   前記表示装置の観察者側に配置され、前記ｎ個の二次元像を前記観察者の視線上の像として前記観察者に提示する光学系と、
   前記ｎ個の二次元像の輝度あるいは透過度を変化させる手段とを備え、
   前記ｎ個の二次元像は、観察者から見て異なった奥行き位置にあるｎ個の表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像であり、
   前記手段は、前記ｎ個の二次元像の輝度あるいは透過度をそれぞれ独立に変化させることを特徴とする三次元表示装置。
2. ｎを２以上の整数とするとき、ｎ個の二次元像が所定間隔をおいて印刷された表示体と、
   前記表示体の観察者側に配置され、前記ｎ個の二次元像を前記観察者の視線上の像として前記観察者に提示する光学系とを備え、
   前記ｎ個の二次元像は、観察者から見て異なった奥行き位置にあるｎ個の表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像であり、
   前記表示体には、透過度あるいは反射率を各々独立に変化させて前記ｎ個の二次元像が印刷されていることを特徴とする三次元表示装置。
3. 前記光学系は、ミラーおよびハーフミラーの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の三次元表示装置。
4. 前記光学系は、プリズムを含むことを特徴とする請求項１に記載の三次元表示装置。
5. 前記表示装置と、前記プリズムとの間に、前記ｎ個の二次元像の照射方向を制限する照射方向制限手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の三次元表示装置。
6. 前記ｎは、２であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の三次元表示装置。

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