JP3492251B2 - 画像入力装置及び画像表示装置 - Google Patents
画像入力装置及び画像表示装置Info
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Description
像)を記録・再生する画像入力装置及び画像表示装置に
関し、特に画像表示手段に表示した画像を観察者が疲れ
ず自然な状態で良好に観察することができるようにした
ものである。
情報を画像記録手段に記録し、該画像記録手段に記録し
た画像情報を立体的に再生するための方式が種々と試み
られている。
体視を行わせる方法(偏光メガネ方式、レンチキュラ方
式など)は広く利用されている。
両眼視差による立体認識との間に矛盾が生じるため、観
察者は疲労や違和感を覚えることが少なくない。
の立体認識機能を満足する3次元像再生の方法がいくつ
か試みられている。
行した「高度立体動画像通信プロジェクト最終成果報告
書」の第3章8節「超多眼領域の立体視覚に関する研
究」によれば、観察者の瞳孔の空間周波数よりも高い周
波数で視点が標本化され実在の物体と同様に連続的な視
差が再現される「超多眼領域」の立体表示下において
は、観察者の単眼に複数の視差画像が入射しており、こ
の効果として観察者の眼の焦点調節が、両眼視差によっ
て誘導される擬似的な立体像の近傍に導かれ、観察者の
疲労や違和感が軽減される、とされている。
の視差画像を両眼に対して呈示する立体表示方法を、n
視点からの視差画像をn視点に対して呈示する方法に拡
張し、なおかつn個の視点の隣り合う2点間距離を観察
者の瞳孔よりも小さくした場合、「単眼視差効果」によ
り目が疲れにくい立体表示となる、という見解が示され
ている。
(FLA)による多眼立体ディスプレイの研究開発」で
は上記理論を実践する具体例が示されている。
2中のFLAは集束化光源列(Focused Light Array)の
略語であり、図23に示すような構成を有する。
ザーなどの光源(Light Source)の光を光学系(Beam Shap
ing Optics)により細い光束に整形したものを、図23
(b)のように円弧状に並べてすべての光束を円の中心
に集光させたものである。
光学系(Objective lens,Imaging lens)により垂直拡散
板(Vertical Diffuser)に再結像し、走査系(Vertical S
canner,Horizontal Scanner)により2次元的に高速走査
され、2次元的な画像を形成する。走査の周期が観察者
の眼の残像許容時間内(約1/50秒以内)であればフ
リッカーのない画像観察が可能となる。
の画素を構成しており、各画素は元の光源の数だけ異な
る方向に光線を出射する輝点と考えられる。
せる光源を選択することで決定することができる。この
光線の出射方向は非常に小さな角度だけ異なっているの
で、観察位置では観察者の瞳に2本以上の異なる光線が
入射するような条件になっている。
複数の視差画像が入射する「超多眼領域」の立体表示が
可能となり、観察者の眼の焦点調節が立体像近傍に導か
れ観察者の疲労や違和感が軽減される。
うな問題点が存在する。「超多眼領域」の立体表示を行
う場合きわめて微少な視差画像を観察者に呈示する必要
があるため、非常に膨大な量の画像情報を取り扱う必要
が生じる。しかも全視差画像を観察者の眼の残像許容時
間内にすべて表示しなければならないので、きわめて高
速な情報表示手段が必須となる。
5度刻みとなっており、水平方向22.5度の観察域に
対して45個の視差画像を再生する構成をとっている。
5倍の画像情報処理と高速画像表示が必要となる。
足するために走査系と半導体レーザーを組み合わせてい
るが、いずれも画像情報表示手段としては一般的な手段
とはいえず、装置規模や製作コストの拡大、画像処理の
特殊性といった実施上好ましくない。
に行い、しかも観察者が疲労せずに良好に立体画像を観
察することができる画像入力装置及び画像表示装置の提
供を目的とする。
示装置は、観察者の瞳孔位置を含む位置に射出瞳が固定
されるように観察者頭部に装着される頭部装着型の画像
表示装置であって、当該射出瞳を複数に分割して画像を
呈示する射出瞳内の領域を順次切り替える射出瞳制御手
段と、画像を呈示する領域の切り替えと同期して呈示す
る複数の視差画像を残像許容時間内に順次切り替えて生
成する画像情報生成手段と、前記射出瞳制御手段と前記
画像情報生成手段とを制御する制御手段とを有すること
を特徴としている。
いて、前記画像表示装置は前記視差画像を虚像として観
察者に提示することを特徴としている。
明において、前記射出瞳制御手段は、前記画像情報生成
手段を照明する照明手段であって、前記光学系によって
前記射出瞳上のそれぞれ異なる位置に結像するように配
置された複数の領域を有する照明手段を有し、前記制御
手段は前記画像情報生成手段に表示する視差画像と前記
照明手段の点灯する領域を同期して切り替えることを特
徴としている。
いて、前記画像情報生成手段は透過型の表示手段である
ことを特徴としている。
いて、前記照明手段と前記画像情報生成手段の間には光
学系が配置されていることを特徴としている。
明において、前記射出瞳制御手段は、前記画像情報生成
手段からの光束を前記射出瞳上に導光する光学系であっ
て、複数の開口のうちの任意の開口を光束の透過領域と
する分割開口を一部に含む光学系を有し、前記制御手段
は前記画像情報生成手段に表示する視差画像と前記分割
開口の透過領域を同期して切り替えることを特徴として
いる。
いて、前記画像情報生成手段は透過型、反射型、自発光
型のいずれかであることを特徴としている。
明において、前記分割開口は前記光学系の射出瞳の位置
に配置されることを特徴としている。
明において、前記光学系は射出瞳と共役な位置を有して
おり、前記分割開口は当該射出瞳と共役な位置に配置さ
れることを特徴としている。
発明において、前記射出瞳制御手段は、マイクロ・ミラ
ー・デバイスを有し、前記制御手段は前記画像情報生成
手段に表示する視差画像と前記マイクロ・ミラー・デバ
イスの角度を同期して切り替えることを特徴としてい
る。
のいずれか1項の発明において、前記射出瞳は観察者の
瞳孔径の2〜5倍の径を有することを特徴としている。
のいずれか1項の発明において、前記射出瞳上の分割さ
れた各領域のうち任意の1つの領域の大きさは観察者の
瞳孔径の1/2以下の大きさであることを特徴としてい
る。
のいずれか1項の発明において、前記射出瞳は2次元的
に分割されることを特徴としている。
のいずれか1項の発明において、前記射出瞳は水平方向
に分割されることを特徴としている。
は、入射する光束を撮像する撮像手段と、該撮像手段へ
光束を導光する撮像光学系と、該撮像光学系の瞳位置に
配置され、任意の開口部と遮光部を形成する開口生成手
段と、該開口生成手段の生成する開口位置を制御すると
共に、各開口位置毎に前記撮像手段により撮像を行う制
御手段とを有する画像入力装置と、請求項1乃至14に
記載の画像表示装置とを有することを特徴としている。
本概念の説明図(平面図)である。図1において2は光
学系であって、表示光学系8,画像情報生成手段(画像
表示手段)5と射出瞳制御手段6とを有している。
る画像情報(視差画像)の虚像である。
て、光学系2はこの射出瞳3が観察者の眼4の瞳孔位置
に一致するよう設計されている。観察者の眼4はこの射
出瞳3を通して画像情報1の全体を観察している。
斜視図である。図2は射出瞳3が水平方向に4分割、鉛
直方向に3分割されている場合を示している。
示装置を観察者の左右眼に対して配置しており、装置と
観察者の瞳の関係が固定されるように装置自体を図3の
ようにベルトなどで観察者の頭部に装着させる構成とし
ている。
は互いに同期をとって画像情報の生成を行っている。左
右の画像情報として両眼視差画像を独立に表示しても良
く、これによれば、観察者は立体像を観察することがで
きる。
割されており、射出瞳3中の、どの領域を通して観察者
の眼4に画像表示手段5に表示する画像情報1を呈示す
るかを射出瞳制御手段6によって高速に切り替えてい
る。
に対応して画像表示手段5に表示する画像情報を制御手
段100によって制御している。
の説明図である。図4において射出瞳制御手段6は射出
瞳3−1を形成している。このとき画像情報生成手段5
は対応する画像として画像情報(視差画像)1−1を選
択して表示している。
のように射出瞳3−2を形成する。このとき画像情報生
成手段5は対応する画像として画像情報1−2を切り替
えて表示する。
報1−3を(図6)、射出瞳3−4形成時は画像情報1
−4を(図7)切り替えて表示する。
のうちの1つの領域の開口のタイミングチャートであ
る。
置と画像表示手段5に表示される画像情報の種類とは一
対一で対応している。なお、こうした切り替え動作は観
察者の眼の残像許容時間より短い周期で繰り返している
ため、すべて観察者に意識されることがない。
領域の大きさが観察者の瞳孔の1/2以下の大きさとな
るように設定している。
視差画像を認識することができる「超多眼領域」の立体
表示を可能としている。そのような立体表示を行う為に
画像情報の表示と射出瞳の各領域の形成の同期におい
て、射出瞳の各領域の位置に応じた視差画像を表示して
いる。
したように物体7を上記射出瞳の各領域3−1〜4の中
心位置3−1’〜4’を視点として得られる一連の視差
画像として得られる。
像入力装置で実写映像として得てもよいし、コンピュー
ター演算により仮想的に生成してもよい。
い分けることができる。画像情報の表示と射出瞳の形成
をきわめて高速に行える場合は射出瞳の分割数を大きく
する方が、「超多眼領域」の立体表示において単眼内で
認識される視差数が増加して再生される立体像がより自
然な像となる。
横方向に4分割すれば単眼内で12の視差画像を呈示す
ることができ、自然な立体像再生が行える。
報の表示時間が短くなり、画像情報生成手段5の描画能
力や画像情報処理能力、射出瞳制御手段6の制御能力が
不足するという問題も発生しやすくなる。
表示手段の12倍の画像描画能力や画像情報処理能力が
必要となる。
るだけ小さくするようにしている。立体視においては水
平方向の視差の影響力が、鉛直方向の視差の影響力より
も大きいので、図11のように射出瞳3を水平方向で複
数の領域に分割する。
り、縦視差のある場合に比べて大幅に画像情報量を減ら
すことができ、画像情報生成手段5に求められる画像描
画能力や画像情報処理能力を通常2次元画像表示時の4
倍程度に抑えている。
出瞳の各領域は必ずしも図示したような矩形である必要
はなく、円形、だ円形、多角形などであってもかまわな
い。
像表示装置では、装着ずれや眼の眼球運動に対応するた
め射出瞳を瞳孔径に比してやや大きめに設定する。
も大きめに設定し、観察者の瞳位置が微妙にずれても画
像情報1の全貌を観察することを可能としている。
少ない視差画像数で「超多眼領域」の立体表示を実現し
ている。
能な画像情報1の範囲を画面中心1aを中心としてW
(度)、視差画像を表示する刻みをΔ(度)とすると、
視差画像数はW/Δとなる。「超多眼領域」の立体表示
とするには単眼内に複数の視差画像を呈示しなくてはな
らないので、Δを相当小さい値にしなくてはならない。
離500mm、観察者の瞳孔径4mm、観察域W=30
度とすると、刻み角Δは0.23度以下、視差画像数は
130以上必要となる。これら全視差像を観察者の眼の
残像許容時間内にすべて表示しなければならないので、
きわめて高速な情報表示手段が必須となる。
表示手段を使用せざるを得ず、装置規模や製作コストの
拡大、画像処理の特殊性といった実施上好ましくない特
徴が発生してしまう。
観察者の瞳孔位置に固定されているため、呈示すべき視
差画像数は飛躍的に減少する。
て「超多眼領域」の立体表示装置を構成できる可能性が
高くなり、装置規模や製作コストを抑制することができ
る。
眼の眼球運動に対応するため、射出瞳を観察者の瞳孔に
比してやや大きめに設定しているが、上記のような発明
の効果を保つため、射出瞳の大きさを観察者の瞳孔の2
〜5倍の大きさ程度に設定している。
図12は本発明の実施形態1の平面図である。装置は両
眼に対して装着されるが、図は片眼の装置のみを示して
いる。図12において、8は凸レンズ(表示光学系)、
9は透過型の画像表示手段、10は分割照明手段(射出
瞳制御手段)である。凸レンズ8は必ずしも単レンズと
は限らず、複数のレンズによって構成される場合もあ
る。
が用いられる。分割照明手段10は領域10−1〜4の
4つの領域に分割された面光源より成り、例えばEL素
子や拡散板をもうけたLED光源などを用いている。
分布として画像情報(視差画像)が表現され、分割照明
手段10がこれを背後から照明することで画像の可視化
を行っている。
の焦点距離fだけ離れているので、画像表示手段9上に
表示された画像は無限遠に虚像9’として拡大結像す
る。
レンズ8の距離を調整することで、無限遠に限らず任意
の位置に調節しても良い。
り図中、位置(瞳位置)3に結像するが、分割照明手段
10が画像表示手段9の光源となっているので位置3は
この光学系の実質的な射出瞳となる。
ほぼ一致するように設計されている。したがって、観察
者は射出瞳3を通して虚像9’の全貌を観察している。
分割照明手段10は図11に示すのと同様に水平方向に
4分割された面光源で構成されており、どの領域をどの
タイミングで発光させるかは制御手段100で制御して
いる。
瞳3とは共役関係にあるので、分割照明手段10上の領
域選択は射出瞳3側に反映される。
0−1が選択されているときは画像情報光は射出瞳3の
各領域のうち領域3−1のみから射出し、図13のよう
に光源として領域10−2が選択されているときは画像
情報光は射出瞳3のうち領域3−2のみから射出する。
域が独立に発光するとき、射出瞳3もまた4分割され独
立に存在することになる。
源を、制御手段100で高速に順次切り替えて発光させ
ている。このとき画像表示手段9上に表示する画像を面
光源の切り替えに同期して高速に切り替え表示する。画
像の表示と照明のタイミングは表示・照明制御手段10
0によって制御している。
表示した4種類の異なる視差画像が、順次4つの異なる
射出瞳より観察される状況が発生する。表示される画像
と射出瞳の選択については、前述した本発明の概念にし
たがって図8のような組み合わせで行われる。
ように射出瞳位置3−1〜4に対応する視差画像として
いる。
に4つの単眼視差を観察者に呈示することができ、これ
を両眼に対して行うことで眼の疲れない自然な3次元像
表示が可能としている。
の眼の残像許容周波数よりも高く設定している。そのた
め観察者は画像観察に関してフリッカーを感ずることが
ない。
得るための撮像装置(画像入力装置)の実施例を図1
4,図15に示す。
置)13は次のような部材で構成されている。14は撮
像レンズ(撮像光学系)で、物体7を撮像素子(撮像手
段)17上に結像している。
生成手段15を配置している。開口生成手段15は液晶
ディスプレイなどの透過型の空間変調素子で構成され、
光の透過率分布を発生させて、光学的な開口部と遮光部
を形成している。開口生成手段15と撮像素子17はと
もに制御手段16によって制御している。
置を制御しており、開口位置を3−1’’→3−2’’
→‥‥‥というように高速で切り替え、これに同期して
撮像素子17での画像撮像のタイミングを制御してい
る。
の射出瞳3−1〜4(図12,図13)に対応してお
り、それぞれの開口を通して撮像した画像は「超多眼領
域」の立体再生に適した微小な視差画像となっている。
して撮像した画像(視差画像)は図4における視差画像
1−1に相当し、図15のように開口3−2’’を通し
て撮像した画像は図5における視差画像1−2に相当す
る。
形成し、視差画像1−3、1−4を得ることができる。
の開口位置との対応を定義づけるような信号とともに画
像伝送部または記録部(不図示)に送られ、「超多眼領
域」の立体表示装置用に伝送または記録される。
域」の立体表示装置用の実写データを得ている。このよ
うなデータを、前述した通りコンピューター演算により
仮想的に求めてもよく、この場合は図9の概念に従って
複数視点からの視差画像をコンピューター演算で求めれ
ばよい。
2の平面図である。本実施形態は図12の実施形態1に
比べて光学系中に第二の凸レンズ8’をもうけている点
が異なっている。
明光をほぼ垂直に透過型の画像表示手段9に入射させる
役割を持っている。
透過型の画像表示デバイスを画像表示手段として用いた
場合にも、画像情報が画面全体にわたって輝度ムラなく
表現されるようにしている。
段9の近傍にコンデンサーレンズ11を配した構成をと
ってもよい。
る。本実施形態では画像表示手段9上に形成された画像
は第2の凸レンズ8’’によって像1’として空中結像
する。像1’の結像位置は実施形態1における画像表示
手段9の位置に一致している。これにより像1’を第1
の凸レンズ8によって虚像として拡大結像している。
0の位置には透過型の分割開口12を配置している。分
割開口12の開口位置は実施形態1における光源10の
選択と同様に制御されるので、分割開口12の開口位置
の変化は射出瞳3内の分割射出瞳位置に反映される。
同様の画像表示を可能としている。本実施形態において
は、画像表示手段9が必ずしも透過型の画像表示手段で
ある必要がないため、画像表示手段の選択の自由度が高
くなる。
透過型の画像表示デバイスよりも反射型、自発光型の画
像表示デバイスの方が高速であることが多いので、本実
施形態の方が実施上有利な場合がある。
る。上記実施形態3では射出瞳の分割のために透過型の
分割開口12を使用しているが、本実施形態ではこの分
割開口12を射出瞳の位置3近傍に直接配置している。
位置の制御とし、画像表示手段9上に表示する画像の制
御を制御手段100で同期させている。これにより他の
実施形態と同様の効果を発生させている。
構成が非常に簡素なものになる。
の装置が存在するが、観察者の瞳と同程度の大きさの射
出瞳を持ち、かつその射出瞳を複数に分割し順次切り替
える射出瞳制御手段と、それに同期して呈示画像を順次
切り替える画像情報生成手段を同時に行いうる制御手段
を用いれば、その他のどのような装置にも採用すること
ができる。
図20に示す装置が開示されている。図20においては
基板上に微小なミラーをマトリクス状に複数個配置して
なるマイクロ・ミラー・デバイスと照明光を空間的に変
調し、当該変調された照明光がマイクロ・ミラー・デバ
イスの各々のミラーに入射するように配置された空間変
調素子と、複数の視差画像を入力する画像入力手段と前
記画像入力手段により入力された視差画像に基づいて所
定の視差画像を前記空間変調素子に表示するとともに、
当該視差画像の方向に反射光が反射する角度に前記マイ
クロ・ミラー・デバイスの各々のミラーの方向を制御す
る手段とを備えてなる立体画像表示装置が開示されてい
るが、この装置を本発明の画像表示手段と射出瞳位置制
御手段として用いれば、「超多眼領域」の立体視可能な
画像表示装置を構成することができる。
に表示した画像をレンズなどによってマイクロ・ミラー
・デバイス上に結像させ、これを観察者に呈示する画像
情報1とする。マイクロ・ミラー・デバイスの個々のミ
ラーの角度をうまく制御すれば、図中のように画像情報
1を形成する光が観察者4の瞳近傍の射出瞳3から射出
するよう調整することができる。
ることで図4〜7のように移動可能で、これに同期して
画像表示デバイス上で適当な視差画像表示を行えば、本
発明の目的である「超多眼領域」の立体表示が可能とな
る。
示を容易に行い、しかも観察者が疲労せずに良好に立体
画像を観察することができる画像入力装置及び画像表示
装置を達成することができる。
ときの概略図
説明図
明図
明図
概略図
概略図
概略図
概略図
概略図
概略図
概略図
概略図
説明図
説明図
Claims (15)
- 【請求項1】 観察者の瞳孔位置を含む位置に射出瞳が
固定されるように観察者頭部に装着される頭部装着型の
画像表示装置であって、 当該射出瞳を複数に分割して画像を呈示する射出瞳内の
領域を順次切り替える射出瞳制御手段と、 画像を呈示する領域の切り替えと同期して呈示する複数
の視差画像を残像許容時間内に順次切り替えて生成する
画像情報生成手段と、 前記射出瞳制御手段と前記画像情報生成手段とを制御す
る制御手段とを有することを特徴とする頭部装着型の画
像表示装置。 - 【請求項2】 前記画像表示装置は前記視差画像を虚像
として観察者に提示することを特徴とする請求項1に記
載の画像表示装置。 - 【請求項3】 前記射出瞳制御手段は、前記画像情報生
成手段を照明する照明手段であって、光学系によって前
記射出瞳上のそれぞれ異なる位置に結像するように配置
された複数の領域を有する照明手段を有し、 前記制御手段は前記画像情報生成手段に表示する視差画
像と前記照明手段の点灯する領域を同期して切り替える
ことを特徴とする請求項1乃至2に記載の画像表示装置 - 【請求項4】前記画像情報生成手段は透過型の表示手段
であることを特徴とする請求項3に記載の画像表示装
置。 - 【請求項5】 前記照明手段と前記画像情報生成手段の
間には光学系が配置されていることを特徴とする請求項
4に記載の画像表示装置。 - 【請求項6】 前記射出瞳制御手段は、前記画像情報生
成手段からの光束を前記射出瞳上に導光する光学系であ
って、複数の開口のうちの任意の開口を光束の透過領域
とする分割開口を一部に含む光学系を有し、 前記制御手段は前記画像情報生成手段に表示する視差画
像と前記分割開口の透過領域を同期して切り替えること
を特徴とする請求項1乃至2に記載の画像表示装置。 - 【請求項7】 前記画像情報生成手段は透過型、反射
型、自発光型のいずれかであることを特徴とする請求項
6に記載の画像表示装置。 - 【請求項8】 前記分割開口は前記光学系の射出瞳の位
置に配置されることを特徴とする請求項6又は7の画像
表示装置。 - 【請求項9】 前記光学系は射出瞳と共役な位置を有し
ており、前記分割開口は当該射出瞳と共役な位置に配置
されることを特徴とする請求項6又は7の画像表示装
置。 - 【請求項10】 前記射出瞳制御手段は、マイクロ・ミ
ラー・デバイスを有し、 前記制御手段は前記画像情報生成手段に表示する視差画
像と前記マイクロ・ミラー・デバイスの角度を同期して
切り替えることを特徴とする請求項1又は2の画像表示
装置。 - 【請求項11】 前記射出瞳は観察者の瞳孔径の2〜5
倍の径を有することを特徴とする請求項1乃至10のい
ずれか1項に記載の画像表示装置。 - 【請求項12】 前記射出瞳上の分割された各領域のう
ち任意の1つの領域の大きさは観察者の瞳孔径の1/2
以下の大きさであることを特徴とする請求項1乃至11
のいずれか1項に記載の画像表示装置。 - 【請求項13】 前記射出瞳は2次元的に分割されるこ
とを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載
の画像表示装置。 - 【請求項14】 前記射出瞳は水平方向に分割されるこ
とを特徴とする請求項項1乃至12のいずれか1項に記
載の画像表示装置。 - 【請求項15】 入射する光束を撮像する撮像手段と、 該撮像手段へ光束を導光する撮像光学系と、 該撮像光学系の瞳位置に配置され、任意の開口部と遮光
部を形成する開口生成手段と、 該開口生成手段の生成する開口位置を制御すると共に、
各開口位置毎に前記撮像手段により撮像を行う制御手段
と を有する画像入力装置と、 請求項1乃至14に記載の画像表示装置とを有すること
を特徴とする立体表示システム。
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