JP2007264316A - ３次元表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 作業用の情報を表示するのに適した３次元表示装置を提供する。
【解決手段】 ３次元表示装置は、３次元空間における観測者の視点からの奥行き毎の画面を表す複数の表示データを作成するカラー表示データ作成部３３と、このカラー表示データ作成部３３によって作成された表示データの奥行き度に対応させて、焦点可変レンズパネル２０における焦点可変レンズ２１の焦点距離を変動させるレンズ焦点ドライバ４２とを備える。カラー表示データ作成部３３は、奥行き度が異なる複数の表示データを作成する際に、奥行き度に応じた複数の発光点の虚像が空間的に重なる表示データに変換する。レンズ焦点ドライバ４２は、複数の発光点からなる画素を複数配設して構成された２次元表示部１０に表示データを順次表示する際に、これに同期して、表示データの奥行き度に応じて、焦点可変レンズ２１の焦点を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、いわゆるＣＡＤ（Computer Aided Design）やコンピュータ等の画像処理装置の出力装置として使用される３次元表示装置に関する。

従来から、３次元像を表示する技術としてホログラムが知られている。

このホログラムは、レーザ等の光線を参照光とするとともに、光線を像に照射したときに当該像から反射された光線を物体光とし、これら参照光と物体光とを干渉させて得られた干渉縞を所定の媒体に記録しておき、再生する際に干渉縞に参照光と同じ光線を照射することにより、３次元像を再現する手法である。しかしながら、このホログラムは、入力に応じた任意の３次元像を表示することができないため、情報装置等の出力手段としての使用は実用化に至っていない。

また、ホログラム以外の技術を適用した３次元表示装置としては、バーチャルリアリティ方式を適用したものがある（例えば、特許文献１等参照。）。このバーチャルリアリティ方式は、観測者の左右の目に対して液晶等からなる２次元の表示装置を別個に設置し、それぞれの表示装置に表示する像を、当該像を形成する３次元空間内における表示物の位置に応じて補正することにより、擬似的に３次元像を視認させるものである。このバーチャルリアリティ方式は、左右の目に対応する像を補正するための補正値の変更等により、入力に応じた任意の３次元像を表示することができる。

特開２００１−１７５８８３号公報

しかしながら、上述した特許文献１をはじめとするバーチャルリアリティ方式を適用した従来の表示装置においては、表示装置を観測者の顔部に固定して使用することから、同時に他の作業を行うのは非常に困難であり、作業用の情報を表示するための表示装置としては適さないという問題があった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、作業用の情報を表示するのに適した３次元表示装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成する本発明にかかる３次元表示装置は、３次元像を表示する３次元表示装置であって、複数の発光点からなる画素を複数配設して構成された表示手段と、前記表示手段を構成する各画素に対応させて複数の焦点可変レンズを配設して構成された焦点可変レンズパネルと、前記表示手段に表示させる像のデータに基づいて、３次元空間における観測者の視点からの奥行き毎の画面を表す複数の表示データを作成する表示データ作成手段と、前記表示データ作成手段によって作成された表示データの奥行き度に対応させて、前記焦点可変レンズの焦点距離を変動させるレンズ駆動手段と、前記表示データ作成手段によって作成された表示データに基づいて、前記表示手段を構成する各発光点を駆動する表示駆動手段とを備え、前記表示データ作成手段は、奥行き度が異なる複数の表示データを作成する際に、奥行き度に応じた複数の前記発光点の虚像が空間的に重なる表示データに変換し、前記レンズ駆動手段は、前記表示データ作成手段によって変換された表示データを前記表示駆動手段によって順次前記表示手段に表示する際に、これに同期して、表示データの奥行き度に応じて、前記焦点可変レンズの焦点を制御することを特徴としている。

このような本発明にかかる３次元表示装置においては、奥行き度が異なる複数の表示データを作成する際に、奥行き度に応じた複数の発光点の虚像が空間的に重なる表示データに変換し、変換された表示データを表示駆動手段によって順次表示手段に表示する際に、これに同期して、表示データの奥行き度に応じて、焦点可変レンズの焦点を制御することにより、３次元像を表示することができる。

したがって、本発明にかかる３次元表示装置においては、表示手段の位置に３次元像を表示することができるため、観測者の顔部に固定して使用する従来の装置とは異なり、当該表示手段の周囲の視界を何ら妨げることがなくなる。

本発明においては、表示手段の周囲の視界を何ら妨げることがないことから、同時に他の作業を行うのを容易とすることができ、作業用の情報を表示するための表示装置として極めて有効である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

この実施の形態は、３次元像を表示する３次元表示装置である。特に、この３次元表示装置は、画像処理装置の出力装置としての使用に好適であり、複数の発光点の虚像を空間的に重ねて表示することにより、３次元像を表示するものである。

まず、本発明の第１の実施の形態として示す３次元表示装置について説明する。

この３次元表示装置は、図１に示すように、複数の画素を２次元面状に並べて構成される２次元表示部１０と、この２次元表示部１０に対して所定の間隙をあけて平行に配設された焦点可変レンズパネル２０とを備える。

２次元表示部１０は、図２に示すように、例えば３×３個の発光点１１からなる群を１つの画素１２として構成される。かかる画素１２は、一定間隔で、複数配設される。具体的には、２次元表示部１０には、縦方向及び横方向のそれぞれに４００画素以上配設されるのが望ましい。なお、２次元表示部１０としては、３原色を用いた２次元像を表示するものであれば、液晶表示装置、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、プラズマディスプレイ、ＳＥＤ（Surface-conduction Electron-emitter Display）等、任意のものを用いることができるが、以下では、説明の便宜上、発光点１１として発光ダイオードを用いた場合について説明する。このような２次元表示部１０を構成する各発光点１１は、２つの駆動部、すなわち、セグメント駆動部３１とコモン駆動部３２とによって駆動される。ここで、セグメント駆動部３１及びコモン駆動部３２は、カラー表示データ作成部３３によって作成された表示データが供給され、この表示データに基づいて、各発光点１１を駆動する。なお、カラー表示データ作成部３３は、２次元表示部１０に表示させる像のデータを形成するパーソナルコンピュータやワークステーション等の外部装置４０から供給された当該データに基づいて、発光点１１を駆動させるための表示データを作成する。このとき、カラー表示データ作成部３３は、後に詳述するが、複数の発光点１１の虚像が空間的に重なるように、表示データを作成する。このカラー表示データ作成部３３の構成については、後述するものとする。

一方、焦点可変レンズパネル２０は、図３(ａ)に示すように、複数の焦点可変レンズ２１を２次元面状に配設して構成される。これら焦点可変レンズ２１は、２次元表示部１０を構成する各画素１２に対応させて配設される。これら焦点可変レンズ２１の焦点距離は、図１に示すように、画面切り替え部４１から供給された信号に基づいて、当該焦点可変レンズパネル２０に接続されたレンズ焦点ドライバ４２によって制御される。なお、液晶を使用した焦点可変レンズは、例えば"日本ＡＥＭ学会誌Ｖｏｌ．３、Ｎｏ．１、不均一電界による液晶分子配向効果とその応用"に開示されている。

すなわち、焦点可変レンズパネル２０は、図３(ｂ)に示すように、２枚の電極２２によってネマチック液晶からなる液晶２３を挟持する構造とされる。これら２枚の電極２２は、例えば蒸着によって硝子等の透明板２４上に作成した金属薄膜から構成されており、レンズとなる領域に円状の孔が穿設されることにより、これら円状の孔が２次元に配列された構造とされる。焦点可変レンズパネル２０は、２枚の電極２２を、円状の孔の位置を合わせるとともに、その金属薄膜を内側に向けた状態で、液晶２３を挟持している。さらに、各電極２２の内側、すなわち、液晶２３の両側には、分子配列が電極２２と平行になるように配向処理された配向膜２５が設けられており、液晶２３は、これら配向膜２５の間に配設されている。さらにまた、入力光側の透明板２４上には、液晶２３の分子配列と同方向の直線偏光からなる光のみを通過させる偏光子２６が設けられている。

このような焦点可変レンズパネル２０においては、電極２２の間に駆動電圧を供給すると、孔の中央部は電界が弱く、液晶分子の配向は変わらないものの、孔の周辺部に近付くにしたがって電界が強くなり、液晶分子の配向が電極２２の間の電界方向に変化することになる。したがって、焦点可変レンズパネル２０においては、液晶分子の配向の変化に応じて、孔の中央部は液晶の屈折率が大きく、孔の周辺部に近付くにしたがって屈折率が小さい状況を作り出すことができ、これにより、凸レンズが形成される。

また、焦点可変レンズパネル２０においては、駆動電圧が高くなるのにともない液晶の屈折率の差が大きくなるため、焦点距離は短くなる一方で、駆動電圧が低くなるのにともない液晶の屈折率の差が小さくなるため、焦点距離は長くなる。このように、焦点可変レンズパネル２０においては、電極２２の間に供給する駆動電圧を変化させることにより、凸レンズの焦点距離を変化させることができ、円状の孔に相当する領域の液晶２３が焦点可変レンズ２１として機能することになる。

なお、焦点可変レンズパネル２０としては、かかる液晶を使用したものに限らず、他の液体方式の焦点可変レンズパネル等であってもよい。

このように、３次元表示装置においては、レンズ焦点ドライバ４２から出力される駆動電圧に応じて、各焦点可変レンズ２１の焦点距離を変動させる。また、各発光点１１によって発光された光は、当該発光点１１が属する画素１２に対応する焦点可変レンズ２１にのみ入射し、隣接する他の焦点可変レンズ２１には入射しないように電極２２によって遮光されている。

さて、このような２次元表示部１０及び焦点可変レンズパネル２０を備える３次元表示装置においては、複数の発光点１１の虚像を空間的に重ねて表示する。このような表示を実現するために、３次元表示装置は、図４に示すような光学系として表すことができる。

同図において、焦点可変レンズパネル２０における３つの焦点可変レンズ２１（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）の光軸を、それぞれ、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３とする。また、焦点可変レンズ２１（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）の主点位置が含まれる主点面をＨとし、２次元表示部１０の発光点１１（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）が含まれる発光面をＡとする。３次元表示装置においては、焦点可変レンズ２１（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）の焦点が含まれる焦点面に対して、焦点可変レンズ２１による発光点１１の虚像が生成される虚像面Ｂが決まる。この関係は、焦点可変レンズ２１の焦点距離をｆとし、発光面Ａと主点面Ｈとの距離である発光点距離をａとし、虚像面Ｂと主点面Ｈとの距離である虚像距離をｂとすると、次式（１）で表される。
１／ａ−１／ｂ＝１／ｆ ・・・（１）
なお、同図においては、ａ＜ｆである。

さらに、３次元表示装置においては、焦点可変レンズ２１の光軸Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の間隔をｄとすると、隣接する画素１２の中心の間隔もｄとなる。また、画素１２の発光点１１は、同図中Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３で示すように、所定のピッチｐで等間隔に並ぶ。このとき、発光点１１（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）のうち、Ｒ２が光軸Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３上の発光点となる。３次元表示装置においては、同図中黒丸で示すように、光軸Ｃ１上の発光点Ｒ２と、この発光点Ｒ２の中心から距離ｐだけ離れた発光点Ｒ１であって光軸Ｃ２上の発光点Ｒ１とを発光させた場合には、焦点可変レンズＬ１による発光点Ｒ２の虚像Ｓ１に対して、焦点可変レンズＬ２による発光点Ｒ１の虚像Ｓ２が同一位置に生成される。このとき、次式（２）に示す関係が成立する。
ｄ／ｂ＝ｐ／ａ ・・・（２）
ここで、このときの虚像距離ｂをｂ１とし、発光点距離ａのｍ倍（ｂ１＝ｍ×ａ）とすると、上式（２）は、次式（３）となる。
ｄ＝ｍ×ｐ ・・・（３）

上式（２）に示す関係は、３次元表示装置における上下方向及び左右方向のそれぞれについて成り立つことから、３次元表示装置においては、中心の画素１２に対して、その周囲に位置する（３×３−１）＝８個の画素１２のそれぞれにおいて当該画素１２内の３×３個の発光点１１の位置を選択することにより、９個の虚像を空間的に重ねることができる。

３次元表示装置においては、このような９個の焦点可変レンズ２１を通過してきた光を観測させる際に、発光点１１の虚像が空間的に重なるように２次元表示部１０に表示することにより、観測者に当該発光点１１の奥行きを感じさせることができる。

つぎに、虚像位置を遠方とする場合について説明する。

虚像位置を遠方とし、発光点１１についての観測者の視点からの奥行きを深く感じさせるためには、図５に示すように、上式（２）に基づいて、整数ｎを用いて次式（４）に示す関係が成立するようにすればよい。なお、同図においては、ｎ＝２の場合を示している。
（ｎ×ｄ）／（ｎ×ｂ）＝ｐ／ａ ・・・（４）

上式（４）からわかるように、３次元表示装置においては、虚像距離ｂをｎ×ｂ１とすると、同図中黒丸で示すように、光軸Ｃ１上の発光点Ｒ２と、光軸Ｃ１に対して距離ｎ×ｄだけ離れた焦点可変レンズＬ３の光軸Ｃ３に対応する画素１２において、発光点Ｒ２の中心から距離ｐだけ離れた発光点Ｒ１とを発光させることにより、発光点Ｒ２の虚像Ｓ１と発光点Ｒ１の虚像Ｓ３とが空間的に重なることになる。

上式（４）に示す関係は、３次元表示装置における上下方向及び左右方向のそれぞれについて成り立つことから、３次元表示装置においては、虚像距離ｂのｎ倍の位置で、中心の画素１２の発光点Ｒ２に対して、上下方向及び左右方向に距離ｎ×ｄだけ離れた周囲８個の画素１２のそれぞれにおいて当該画素１２内の３×３個の発光点１１の位置を選択することにより、９個の虚像を空間的に重ねることができる。このとき、焦点距離ｆは、上式（１）から算出することができ、ｂ＝ｎ×ｂ１＝ｎ×ｍ×ａとすると、焦点距離ｆは、次式（５）で表されることになる。
ｆ＝ｎ×ｍ×ａ／（ｎ×ｍ−１） ・・・（５）

このように、３次元表示装置は、複数の発光点１１の虚像を空間的に重ねることができる光学系を備えることにより、観測者に当該発光点１１の奥行きを感じさせ、３次元像を表示することができる。

３次元表示装置においては、複数の発光点１１の虚像が空間的に重なるように、カラー表示データ作成部３３によって表示データを作成する。具体的には、カラー表示データ作成部３３は、図６に示すように、画像データを複数の画面データに変換するデータ変換部５１と、このデータ変換部５１によって変換された画面データを格納する表示データ格納部５２と、セレクタ５３とを備える。

データ変換部５１は、外部装置４０からコード化されて供給される画像データを、例えば、観測者が視認する３次元空間内で近距離に位置する近画面表示データ、中距離に位置する中画面表示データ、遠距離に位置する遠画面表示データといったように、３次元空間における観測者の視点からの奥行き毎の画面を表すＮ個の表示データに変換する。具体的には、データ変換部５１は、奥行き毎に、先に図４及び図５を用いて説明した奥行きを表現する発光点１１を追加した表示データに画像データを変換する。勿論、データ変換部５１は、Ｎ＝３、すなわち、近画面表示データ、中画面表示データ、及び遠画面表示データの３つに画像データを変換するのに限らず、任意数の表示データに変換することができる。

表示データ格納部５２は、Ｎ個の格納部５２_１，５２_２，・・・，５２_Ｎを有し、これら格納部５２_１，５２_２，・・・，５２_Ｎのそれぞれにデータ変換部５１によって変換されたＮ個の表示データをそれぞれ格納する。この表示データ格納部５２に格納された表示データは、セレクタ５３を介してセグメント駆動部３１及びコモン駆動部３２に供給される。

セレクタ５３は、画面切り替え部４１から供給された切り替え信号に基づいて、表示データ格納部５２に格納されたＮ個の表示データを択一的に順次読み出し、セグメント駆動部３１及びコモン駆動部３２に供給する。なお、画面切り替え部４１は、画面を切り替えるためのクロックを生成し、これを切り替え信号としてセレクタ５３及びレンズ焦点ドライバ４２に供給する。これにより、３次元表示装置においては、Ｎ個のクロックを周期として、表示データが入れ替わることになる。

このようなカラー表示データ作成部３３は、外部装置４０から供給された画像データに基づいて、奥行き画面数Ｎに対応する表示データを作成する。

以下、このような３次元表示装置の動作について説明する。

まず、外部装置４０は、奥行き画面数Ｎに対応する３次元の画像データをカラー表示データ作成部３３に供給する。これに応じて、カラー表示データ作成部３３は、供給されたＮ画面分の画像データをＮ画面分の表示データに変換し、変換した表示データを、奥行き画面数Ｎに応じて表示データ格納部５２に格納する。

続いて、セレクタ５３は、表示データ格納部５２にＮ画面分の表示データが格納されると、画面切り替え部４１から供給された切り替え信号に基づいて、当該表示データ格納部５２に格納されたＮ画面分の表示データを、奥行き画面数Ｎに応じて順次読み出し、セグメント駆動部３１及びコモン駆動部３２に供給する。

一方、レンズ焦点ドライバ４２は、画面切り替え部４１から供給された切り替え信号に基づいて、セレクタ５３によって表示データ格納部５２から読み出される表示データ、すなわち、２次元表示部１０に表示される画像に対応させて、焦点可変レンズパネル２０の駆動電圧を制御する。

具体的には、レンズ焦点ドライバ４２は、画面切り替え部４１から供給された切り替え信号に基づいて、２次元表示部１０に奥行きが深い画面を表示させる際には、焦点可変レンズ２１に高い電圧を印加して当該焦点可変レンズ２１の焦点距離を短くする一方で、２次元表示部１０に奥行きが浅い画面を表示させる際には、焦点可変レンズ２１に低い電圧を印加して当該焦点可変レンズ２１の焦点距離を長くするように制御する。これにより、レンズ焦点ドライバ４２は、表示データ格納部５２から読み出された表示データの奥行き度に対応して各焦点可変レンズ２１の焦点を制御することができる。なお、焦点可変レンズ２１を駆動するためのレンズ焦点ドライバ４２から出力される駆動電圧は、予め画面の奥行き度と焦点位置とに対応させて決定されている。

３次元表示装置においては、このようにして各焦点可変レンズ２１の焦点が調整された後、表示データに基づいて、２次元表示部１０をセグメント駆動部３１及びコモン駆動部３２によって駆動させ、当該表示データに応じた発光点１１を発光させる。具体的には、セグメント駆動部３１は、表示用のクロックに応じた所定のタイミングで、表示データに基づいて２次元表示部１０のセグメントを選択する。この選択に同期させて、コモン駆動部３２は、第１列の選択されたセグメントに対応する発光点１１を駆動して発光させる。３次元表示装置においては、このような動作を２次元表示装置１０における各列について繰り返し行い、当該２次元表示部１０に所定の奥行き度で１枚の画面を表示する。

３次元表示装置においては、このような１枚の画面の表示を、画面切り替え部４１から供給された切り替え信号に基づいて、奥行き画面数Ｎの順に繰り返し行うことにより、奥行き度が異なるＮ枚の画像が２次元表示部１０に表示される。したがって、３次元表示装置においては、焦点可変レンズ２１を通過する光を観測者に観測させることにより、画像データを３次元像として認識させることができる。

また、３次元表示装置においては、３次元像からなる動画を表示する際に、画面のフリッカ（ちらつき）をなくすためには、１フレームが１／３０秒である表示方式を採用する場合には、１画面の３次元像の走査周期が３３ミリ秒以下程度であり、３次元像を毎秒３０画面以上程度表示する必要があることから、奥行き画面数がＮである場合には、３次元像を毎秒３０×Ｎ画面以上表示すればよい。すなわち、３次元表示装置においては、各画像データの供給及び焦点可変レンズ２１の焦点の制御、並びに２次元表示装置１０の駆動を、例えば毎秒３０×Ｎ回程度の高速で繰り返し行うことにより、フリッカのない３次元像を表示することができる。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態として示す３次元表示装置においては、外部装置４０から供給された３次元の画像データに基づいて、奥行き度が異なる複数の表示データを作成する際に、奥行き度に応じた複数の発光点１１の虚像が空間的に重なる表示データに変換する。そして、この３次元表示装置においては、変換された表示データをセグメント駆動部３１及びコモン駆動部３２によって順次２次元表示部１０に表示する際に、これに同期して、表示データの奥行き度に応じて、焦点可変レンズ２１の焦点を制御することにより、３次元像を表示することができる。

したがって、この３次元表示装置においては、２次元表示部１０の位置に３次元像を表示することができるため、観測者の顔部に固定して使用する従来の装置とは異なり、当該２次元表示部１０の周囲の視界を何ら妨げることがない。すなわち、この３次元表示装置は、同時に他の作業を行うのを容易とすることができ、作業用の情報を表示するための表示装置として極めて有効である。

つぎに、第２の実施の形態として示す３次元表示装置について説明する。

この第２の実施の形態として示す３次元表示装置は、第１の実施の形態として示した３次元表示装置に比べ、１画素を構成する発光点の個数を増やしたものである。したがって、この第２の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態の説明と同様の構成については同一符号を付し、その詳細な説明を省略するものとする。

この第２の実施の形態として示す３次元表示装置において、２次元表示部１０は、図７に示すように、５×５個の発光点１１からなる群を１つの画素１２として構成される。また、焦点可変レンズパネル２０における複数の焦点可変レンズ２１は、それぞれ、２次元表示部１０を構成する各画素１２に対応させて配設される。これら焦点可変レンズ２１の焦点距離は、第１の実施の形態と同様に、画面切り替え部４１から供給された信号に基づいて、当該焦点可変レンズパネル２０に接続されたレンズ焦点ドライバ４２によって制御される。３次元表示装置においては、レンズ焦点ドライバ４２から出力される駆動電圧に応じて、各焦点可変レンズ２１の焦点距離を変動させる。また、各発光点１１によって発光された光は、当該発光点１１が属する画素１２に対応する焦点可変レンズ２１にのみ入射し、隣接する他の焦点可変レンズ２１には入射しないように電極２２によって遮光されている。

このような２次元表示部１０及び焦点可変レンズパネル２０を備える３次元表示装置においては、複数の発光点１１の虚像を空間的に重ねて表示する。このような表示を実現するために、３次元表示装置は、図８に示すような光学系として表すことができる。

同図において、焦点可変レンズパネル２０における３つの焦点可変レンズ２１（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）の光軸を、それぞれ、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３とする。また、焦点可変レンズ２１（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）の主点位置が含まれる主点面をＨとし、２次元表示部１０の発光点１１（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５）が含まれる発光面をＡとする。３次元表示装置においては、第１の実施の形態と同様に、焦点可変レンズ２１（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）の焦点が含まれる焦点面に対して、焦点可変レンズ２１による発光点１１の虚像が生成される虚像面Ｂが決まる。この関係は、焦点可変レンズ２１の焦点距離をｆとし、発光面Ａと主点面Ｈとの距離である発光点距離をａとし、虚像面Ｂと主点面Ｈとの距離である虚像距離をｂとすると、上式（１）で表される。

さらに、３次元表示装置においては、焦点可変レンズ２１の光軸Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の間隔をｄとすると、隣接する画素１２の中心の間隔もｄとなる。また、画素１２の発光点１１は、同図中Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５で示すように、所定のピッチｐで等間隔に並ぶ。このとき、発光点１１（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５）のうち、Ｒ３が光軸Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３上の発光点となる。３次元表示装置においては、同図中黒丸で示すように、光軸Ｃ１上の発光点Ｒ３と、この発光点Ｒ３の中心から距離ｐだけ離れた発光点Ｒ２であって光軸Ｃ２上の発光点Ｒ２と、発光点Ｒ３の中心から距離２×ｐだけ離れた発光点Ｒ１であって光軸Ｃ３上の発光点Ｒ１とを発光させることにより、焦点可変レンズＬ１による発光点Ｒ３の虚像Ｓ１に対して、焦点可変レンズＬ２による発光点Ｒ２の虚像Ｓ２と、焦点可変レンズＬ３による発光点Ｒ１の虚像Ｓ３とが同一位置に生成される。このとき、焦点可変レンズＬ１，Ｌ２については、第１の実施の形態と同様に、上式（２）に示した関係が成立し、焦点可変レンズＬ１，Ｌ３については、上式（２）の両辺を２倍として次式（６）に示す関係が成立する。
２×ｄ／ｂ＝２×ｐ／ａ ・・・（６）

上式（２）及び上式（６）に示す関係は、３次元表示装置における上下方向及び左右方向のそれぞれについて成り立つことから、３次元表示装置においては、中心の画素１２に対して、その周囲に位置する（５×５−１）＝２４個の画素１２のそれぞれにおいて当該画素１２内の５×５個の発光点１１の位置を選択することにより、２５個の虚像を空間的に重ねることができる。

３次元表示装置においては、このような２５個の焦点可変レンズ２１を通過してきた光を観測させる際に、発光点１１の虚像を空間的に重ねることにより、観測者に当該発光点１１の奥行きを感じさせることができる。

つぎに、虚像位置を遠方とする場合について説明する。

虚像位置を遠方とし、発光点１１の奥行きを深く感じさせるためには、第１の実施の形態と同様に、上式（２）及び上式（６）に基づいて、整数ｎを用いて上式（４）及び次式（７）に示す関係が成立するようにすればよい。
（２×ｎ×ｄ）／（ｎ×ｂ）＝２×ｐ／ａ ・・・（７）

上式（４）からわかるように、３次元表示装置においては、虚像距離ｂをｎ×ｂとすると、光軸Ｃ１上の発光点Ｒ３と、光軸Ｃ１に対して距離ｎ×ｄだけ離れた焦点可変レンズＬの光軸Ｃに対応する画素１２において、発光点Ｒ３の中心から距離ｐだけ離れた発光点Ｒとを発光させることにより、発光点Ｒ３の虚像Ｓ１と他の発光点Ｒの虚像Ｓとが重なることになる。また、上式（７）からわかるように、３次元表示装置においては、虚像距離ｂをｎ×ｂとすると、光軸Ｃ１上の発光点Ｒ３と、光軸Ｃ１に対して距離２×ｎ×ｄだけ離れた焦点可変レンズＬの光軸Ｃに対応する画素１２において、発光点Ｒ３の中心から距離２×ｐだけ離れた発光点Ｒとを発光させることにより、発光点Ｒ３の虚像Ｓ１と他の発光点Ｒの虚像Ｓとが重なることになる。

上式（４）及び上式（７）に示す関係は、３次元表示装置における上下方向及び左右方向のそれぞれについて成り立つことから、３次元表示装置においては、虚像距離ｂのｎ倍の位置で、中心の画素１２の発光点Ｒ３に対して、上下方向及び左右方向に距離ｎ×ｄと距離２×ｎ×ｄとだけ離れた周囲２４個の画素１２のそれぞれにおいて当該画素１２内の５×５個の発光点１１の位置を選択することにより、２５個の虚像を空間的に重ねることができる。

このように、３次元表示装置は、複数の発光点１１の虚像を空間的に重ねることができる光学系を備えることにより、観測者に当該発光点１１の奥行きを感じさせ、３次元像を表示することができる。

そして、このような３次元表示装置においては、第１の実施の形態にて説明したものと同様の動作を行い、２次元表示部１０に対する所定の奥行き度の１枚の画面の表示を、画面切り替え部４１から供給された切り替え信号に基づいて、奥行き画面数Ｎの順に繰り返し行うことにより、奥行き度が異なるＮ枚の画像が２次元表示部１０に表示される。したがって、３次元表示装置においては、焦点可変レンズ２１を通過する光を観測者に観測させることにより、画像データを３次元像として認識させることができる。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態として示す３次元表示装置においては、１つの画素１２を表示する焦点可変レンズ２１の個数を増加することができるため、第１の実施の形態にて説明した効果に加え、発光点１１の虚像を２次元表示部１０に安定して表示することができる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した第２の実施の形態では、１つの画素１２を構成する発光点１１を５×５個として説明したが、本発明は、５×５個以上の発光点１１によって１つの画素１２を構成する場合にも適用することができる。ただし、この場合には、発光点１１を選択する際に、虚像位置にブレが生じる可能性があることから、発光点１１を選別して表示データを作成する必要がある。

また、観測者の左右の目は、通常、略水平方向に並んでいることから、本発明においては、水平方向の発光点１１の個数を多くして１画素を構成したり、３次元の１画素を表示するための２次元表示部１０の画素数を多くしたりすることにより、垂直方向には発光点１１の個数や画素数を減らすことも実用上可能である。

このような本発明にかかる３次元表示装置は、パーソナルコンピュータやワークステーション等と接続可能であることから、情報端末機として使用して好適である。また、本発明にかかる３次元表示装置は、高精細情報を表示することができることから、ＣＡＤを利用して作成したデザインを表示する用途にも極めて有効である。

このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の第１の実施の形態として示す３次元表示装置の構成を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態として示す３次元表示装置における２次元表示部の構成を説明する正面図である。 本発明の第１の実施の形態として示す３次元表示装置における焦点可変レンズパネルの構成を説明する正面図である。 本発明の第１の実施の形態として示す３次元表示装置における焦点可変レンズパネルの構成を説明する断面図である。 本発明の第１の実施の形態として示す３次元表示装置の光学系の概略構成を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態として示す３次元表示装置の光学系の概略構成を説明する図であり、図４に示す場合に比べて虚像位置を遠方とした光学系の構成を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態として示す３次元表示装置におけるカラー表示データ作成部の構成を説明するブロック図である。 本発明の第２の実施の形態として示す３次元表示装置における２次元表示部の構成を説明する正面図である。 本発明の第２の実施の形態として示す３次元表示装置の光学系の概略構成を説明する図である。

符号の説明

１０ ２次元表示部
１１ 発光点
１２ 画素
２０ 焦点可変レンズパネル
２１ 焦点可変レンズ
２２ 電極
２３ 液晶
２４ 透明板
２５ 配向膜
２６ 偏光子
３１ セグメント駆動部
３２ コモン駆動部
３３ カラー表示データ作成部
４０ 外部装置
４１ 画面切り替え部
４２ レンズ焦点ドライバ
５１ データ変換部
５２ 表示データ格納部
５２_１，５２_２，・・・，５２_Ｎ 格納部
５３ セレクタ

Claims (7)

1. ３次元像を表示する３次元表示装置であって、
   複数の発光点からなる画素を複数配設して構成された表示手段と、
   前記表示手段を構成する各画素に対応させて複数の焦点可変レンズを配設して構成された焦点可変レンズパネルと、
   前記表示手段に表示させる像のデータに基づいて、３次元空間における観測者の視点からの奥行き毎の画面を表す複数の表示データを作成する表示データ作成手段と、
   前記表示データ作成手段によって作成された表示データの奥行き度に対応させて、前記焦点可変レンズの焦点距離を変動させるレンズ駆動手段と、
   前記表示データ作成手段によって作成された表示データに基づいて、前記表示手段を構成する各発光点を駆動する表示駆動手段とを備え、
   前記表示データ作成手段は、奥行き度が異なる複数の表示データを作成する際に、奥行き度に応じた複数の前記発光点の虚像が空間的に重なる表示データに変換し、
   前記レンズ駆動手段は、前記表示データ作成手段によって変換された表示データを前記表示駆動手段によって順次前記表示手段に表示する際に、これに同期して、表示データの奥行き度に応じて、前記焦点可変レンズの焦点を制御すること
   を特徴とする３次元表示装置。
2. 前記表示データ作成手段は、中心となる１画素に対して、その周囲の所定位置にある複数の画素のそれぞれにおいて当該画素内の所定位置にある発光点を選択し、選択した複数の発光点の虚像が空間的に重なる表示データに変換すること
   を特徴とする請求項１記載の３次元表示装置。
3. 前記表示手段を構成する１画素は、３×３個の発光点からなること
   を特徴とする請求項１記載の３次元表示装置。
4. 前記表示手段を構成する１画素は、５×５個の発光点からなること
   を特徴とする請求項１記載の３次元表示装置。
5. 前記焦点可変レンズパネルは、電極間に液晶を挟持した構造とされ、
   前記液晶は、前記レンズ駆動手段から前記電極間に供給された駆動電圧に基づいて焦点が可変する前記焦点可変レンズとして機能すること
   を特徴とする請求項１記載の３次元表示装置。
6. 前記レンズ駆動手段は、前記焦点可変レンズの中央部に相当する前記液晶の屈折率が大きく、且つ、当該焦点可変レンズの周辺部に相当する液晶の屈折率が小さくなるように、当該液晶に駆動電圧を印加すること
   を特徴とする請求項５記載の３次元表示装置。
7. 前記レンズ駆動手段は、前記表示手段に奥行きが深い画面を表示させる際には、前記液晶に高い電圧を印加して前記焦点可変レンズの焦点距離を短くする一方で、前記表示手段に奥行きが浅い画面を表示させる際には、前記液晶に低い電圧を印加して前記焦点可変レンズの焦点距離を長くするように制御すること
   を特徴とする請求項６記載の３次元表示装置。