JP3758265B2

JP3758265B2 - 3D image display method and display device thereof

Info

Publication number: JP3758265B2
Application number: JP00082697A
Authority: JP
Inventors: 作哉玉田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-04-24
Filing date: 1997-01-07
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2017-01-07
Also published as: JPH1013861A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いわゆる立体映像の観察を行うことのできる３次元画像表示方法とその表示装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
従来の立体映像の観察を行う両眼式立体画像表示方法の一例は、図１０にその概略構成図を示すように、スクリーンＳｃ上に投影した左右肉眼の視差を考慮した偏光方向を異にする左右投影像ＩＬおよびＩＲを左右に関して偏光方向を異にする偏光めがねＧを通じて左右肉眼ＥＬおよびＥＲで観察することによって左右投影像ＩＬおよびＩＲを、観察者において重ね合わせて立体像として観察するものが広く知られている。
【０００３】
この場合、図１０の例では観察者は、スクリーンＳｃ上に投影された光学像ＩＬおよびＩＲに眼の焦点を合わせてその観察を行うものの、その２つの映像ＩＬおよびＩＲの輻輳位置は、スクリーンＳｃの位置Ｐｓより、かなり手前の位置Ｐｏであることから観察者の観察時の疲労が大きくまた違和感を伴うという問題点がある。
【０００４】
このような疲労の問題の解決をはかるべく、またよりすぐれた立体像ないしは３次元像として観察できるようにした装置として種々の方式によるものの提案がなされている。例えば奥行き方向に移動するスクリーンを設け、一方、３次元像をその奥行き方向に分割標本化し、この映像の分割奥行き位置に応じてスクリーンを移動させることによって観察者がスクリーン上の映像を３次元像として観察することができるようにするものである。しかしながら、このようにスクリーンを移動させることは、３次元像の広画面化をはかる場合特に装置の大型化が免れず、またその３次元像もさほど奥行きの深い臨場感にあふれた３次元像として観察することができないなど、いずれの装置においても多くの問題が残されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、疲労や違和感を改善し、さらに近距離から無限遠に渡る深い奥行きに渡ってすぐれた臨場感をもって立体表示の観察を行うことができるようにした簡便な構成による３次元画像表示方法とその表示装置を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による３次元画像表示方法は、表示目的の３次元画像表示空間を奥行き方向に関して、この３次元画像表示空間の一部或いは全域において視距離の２乗に比例する間隔をもって複数の２次元画像に分割標本化し、これら各２次元画像を順次表示し、これら表示２次元画像を光学系を介してこの光学系による虚像として肉眼によって観察するようにし、上記光学系と上記表示２次元画像との光学的距離を肉眼の残像時間内で変化させてその虚像の位置を光軸方向に移動させ、その各移動位置に対応する上記３次元画像表示空間の奥行き方向に分割された２次元画像が各移動位置の時点で表示されるようにして、これら２次元画像の各虚像の重ね合わせ観察によって３次元画像を肉眼によって観察するようにする。
【０００７】
また、本発明による３次元画像表示装置は、高速表示可能な画像表示パネルと、画像表示パネルによる表示２次元画像を、その虚像によって肉眼で観察させる光学系と、画像表示パネルと光学系との間の光学的距離を電気的制御によって変化させる位置制御装置とを有する表示機構部を具備する。そして、その表示目的の３次元画像表示空間を奥行き方向に関して、この３次元画像表示空間の一部或いは全域において視距離の２乗に比例する間隔をもって複数の２次元画像に分割標本化し、画像表示パネルと光学系との間の光学的距離を、位置制御装置によって肉眼の残像時間内で変化させるとともに、画像表示パネルに上記各２次元画像を順次表示してこれら表示２次元画像の虚像の位置を光軸方向に移動させ、３次元画像表示空間の奥行き方向に分割された各移動位置に対応する２次元画像を、各移動位置の時点で順次表示し、これら２次元画像の各虚像の重ね合わせ観察によって３次元画像を肉眼によって観察するようにする。
【０００８】
上述の本発明による３次元画像表示方法とその表示装置によれば、その像の観察は、光学系による像（虚像）の観察によるものであってスクリーン上の画像の観察によらないことからスクリーンを設けることによる装置の大型化を回避できる。
また、観察者による立体像の観察は、光学系による像すなわち虚像の移動であることから光学的距離のわずかな移動で奥行きの深いしたがって臨場感のある立体像の観察がなされる。また本発明において、両眼での立体画像観察を行う場合、各２次元画像表示面、すなわち再生立体像に輻輳および調節が一致するため、疲労感、違和感の減少を効果的にはかることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明による３次元画像表示方法とその表示装置について説明する。
図１は、本発明方法に基く本発明表示装置の基本的構成図を示し、図２はその立体的光学図を示すもので、これら図１および図２を参照して本発明を説明する。
本発明装置は、高速表示可能な画像表示パネル１１例えば液晶表示パネルと、この画像表示パネル１１による表示２次元画像ＩＤを、その虚像によって肉眼Ｅで観察させる光学系１２例えば凸レンズによるいわゆる接眼レンズあるいは凹面鏡と、画像表示パネル１１と光学系１２との間の光学的距離（すなわち両者の空間的距離とこの空間における屈折率との積）Ｌを電気的制御によって変化させる位置制御装置１３を有する表示機構部１４を具備してなる。
【００１０】
光学距離Ｌを電気信号で制御して変化させる制御装置１３は、例えば電磁アクチュエータによって構成することができる。例えば図１に示すように、高速表示が可能な例えば液晶表示パネル１１に例えば磁石もしくは電磁コイルいわゆるボイスコイル１３Ｃが配置され、その外周の固定部に磁石もしくは電磁石１３Ｍが配置されてなる。そして、例えばボイスコイルもしくは固定側の電磁コイルに所要の制御電流を通電することによってパネル１１が、光軸方向に移動するように構成される。
【００１１】
図示の例では、光学系１２が凸レンズ構成とした場合で、画像表示パネル１１上の表示光学像をレンズ１２による虚像Ｉｖとして観察するように、凸レンズ１２と肉眼Ｅの間隔を、凸レンズの一方の焦点距離に選定する。つまり、肉眼Ｅが凸レンズ１２の一方の焦点Ｆの位置にあるようになされる。
【００１２】
一方、表示目的の３次元画像表示空間を、一定視野角θ内で、奥行き方向に関して肉眼Ｅの近点位置例えば明視の距離から、無限遠距離の範囲に渡って複数の２次元画像に例えばコンピュータによって分割標本化し、この２次元画像を、画像表示パネル１１によって順次表示する。この分割標本化する際の間隔は、奥行方向の一部の領域あるいは全域に渡って視距離の２乗に比例する間隔とする。そして、このときの視野角θは、通常、人間の一括確認できる視野角が、水平方向で３０°と言われていることから、水平方向に関しては例えば３０°程度に選定し、垂直方向に関しては、例えば垂直方向の辺の長さ／水平方向の辺の長さが、３／４の比となるように選定される。
【００１３】
そして、このとき、光学系１２と画像表示パネル１１との距離Ｌを変化させる。図示の例では、位置制御装置１３の駆動、すなわち上述のアクチュエータの駆動によって画像表示パネル１１を光軸Ｏ−Ｏ’方向に往復移動させて距離Ｌを変化させる。
【００１４】
この光学的距離Ｌの移動は、人間の残像時間内に例えば一方向移動、もしくは一往復、あるいは複数の往復移動を行い、画像表示パネル１１において、この移動に伴い、各移動位置に対応する分割標本化された２次元画像を、各移動時点で画像表示パネル１１で表示する。すなわち、光学的距離Ｌの変化に応じて２次元画像の虚像Ｉｖの位置を光軸Ｏ−Ｏ’方向に移動させ、各移動位置に対応する上述の表示目的の奥行き方向に分割標本化した２次元画像を表示パネル１１に映出し、その虚像Ｉｖ（Ｉｖ₁，Ｉｖ₂，Ｉｖ₃，・・・）を、Ｉ₁，Ｉ₂，Ｉ₃・・・の各位置で得る。
【００１５】
この移動は、上述したように残像時間内に選定されていることから、この残像時間内で、複数に奥行き方向に分割された２次元画像の虚像、図２においては４つに分割された２次元画像の虚像Ｉｖ₁，Ｉｖ₂，Ｉｖ₃，Ｉｖ₄が重ね合わされて観察されることによってこれらの合成によって、奥行きのある恰も３次元画像として観察することができる。
【００１６】
次に、この光学的距離Ｌの変化と、虚像の移動量との関係を、図３の本発明構成の２次元的光学図を参照して説明する。
この場合、視距離（肉眼Ｅすなわち光学系１１の凸レンズの一方の焦点Ｆから虚像Ｉｖまでの距離）をＺ’とすると、Ｚ’は下記（数１）で与えられる。
【００１７】
【数１】
Ｚ’＝−ｆ’²／Ｚ（１）
【００１８】
すなわち、光学系１２が薄肉凸レンズであり、近軸光を扱うものとし、レンズの両焦点ＦおよびＦ’までの距離すなわち両焦点距離をｆおよびｆ’とし、焦点Ｆから物点までの距離をＺとし、焦点Ｆ’から像点までの距離（以下これを視距離という）をＺ’とするとき、下記（数２）が与えられる（ニュートンの式）。
【００１９】
【数２】
ＺＺ’＝ｆｆ’＝ｆ’² （２）
（但し、ｆ’＝−ｆ）
となり、上記（数１）となる。
【００２０】
そして、本発明構成において、上述したように、肉眼Ｅがレンズ１２の焦点Ｆ’の位置にあるとし、その物点すなわち図１および図２における表示パネル１１上の画像が位置Ｒ₁にあるとし、この状態から、画像（物点）の位置がＲ₂に微小移動させた場合をみると、このときの肉眼Ｅで観察される虚像は像点Ｉ₁からＩ₂に移動する。いま、物点がΔＺ移動したときの像点の移動量ΔＺ’をみると、上記（数１）の微分から下記（数３）で与えられる。
【００２１】
【数３】
ΔＺ’＝（ｆ’²／Ｚ²）・ΔＺ（３）
【００２２】
また、表示パネル１１の移動速度をｖとし、肉眼の残像時間をΔｔとすると、（数４）の関係となる。
【００２３】
【数４】
ΔＺ’＝（ｆ’²／Ｚ²）・ΔＺ＝（Ｚ’²／ｆ’²）・ｖΔｔ（４）
【００２４】
すなわち、上述の構成において表示パネル１１を一定の速度ｖで移動するときの虚像の移動量ΔＺ’は、視距離Ｚ’の２乗に比例することになる。
【００２５】
ところで、人間の視覚における奥行き知覚感度は、図４（テレビジョン学会雑誌「テレビジョン」１９７７，ＶＯＬ．３１，ＮＯ．８，６５２頁、図４参照）に示すように、調節または輻輳による場合曲線４１となり、両眼視差による場合曲線４２となる。ここで視距離をＤ〔ｍ〕とし、奥行き弁別閾量ΔＤ〔ｍ〕は、曲線４１がΔＤ≒Ｄ²／４００〔ｍ〕であり、曲線４１が、ΔＤ≒Ｄ²／２０〔ｍ〕となる。すなわち奥行き知覚感度は、視距離Ｄの増加に伴い視距離Ｄの２乗に反比例して急激に低下する。
【００２６】
すなわち、上述したように、虚像の移動量ΔＺ’は視距離の２乗に比例して変化するが、同時に知覚感度も視距離の２乗に比例して低下することから、光学距離Ｌの変化すなわち例えば表示パネル１１の移動を等速直線運動をもって移動することで上述した複数の２次元画像による３次元画像の観察は不自然性を感ずることなく行われる。
したがって、アクチュエータの運動制御における設計も簡易となる。
【００２７】
また、上述したように、人間の肉眼による観察は、遠距離になるほど感度が低下することから、３次元光学像において、ある距離より遠い位置に関しては、２次元画像への標本化は、充分大なる間隔によって例えば無限遠の２次元画像のみで事足りることになる。
【００２８】
そして、表示パネルにおける上述した２次元画像の表示は、線順次、もしくは面順次等によって表示する構成とすることができる。
【００２９】
そして、この光学距離Ｌの変化、すなわちこの構成においての表示パネル１１の移動は、図５に示すように位置Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃・・・のように階段的（間欠的）に移動する態様とし、各位置Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃・・・に固定された区間Δｔ_Dにおいてのみ表示パネル１１によって各分割標本化された２次元光学像を表示し、各位置Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃・・・間のアクチュエータによる表示パネル１１の移動区間Δｔ_Mを各表示画像のブランキング期間とすることができる。
【００３０】
あるいは、図６に示すように、表示パネルの位置が連続的に変化するようにすることもできるが、この場合、その移動中に２次元画像を順次的に例えば線順次によって表示すると画像に歪みが生じるおそれがある。このような不都合を回避するために表示画像を例えば１フレーム一括表示可能な高速画像表示パネルに同時的に短時間のみ表示する構成とすることが望まれる。
【００３１】
奥行きの標本化数、すなわち表示する２次元画像の数をＮとし、画像表示パネルの全移動量をＰとするとき、図３に示される表示パネルの各位置Ｒｎは（数５）となる。
【００３２】
【数５】
Ｒｎ＝Ｐ（Ｎ−ｎ）／Ｎ（５）
（但しｎ＝１，２，３‥‥，Ｎ−１，Ｎ）
【００３３】
ここで、座標原点Ｒｎ＝０は、図３において焦点Ｆとした。したがって、前記（数１）を用いて、表示される虚像面の位置Ｚｎ’は、（数６）で与えられる。
【００３４】
【数６】
Ｚｎ’＝ｆ²／Ｒｎ（６）
【００３５】
例えば光学系１２の焦点距離ｆを、ｆ＝３８．７ｍｍとし、Ｐ＝３ｍｍ，Ｎ＝２０とすると、Ｚｎ’は表１のようになり、再生域の標本化は、図７に示すようになる。
【００３６】
【表１】

【００３７】
ｎ＝１からｎ＝１９の再生域は、０．５３ｍから１０ｍに及び、虚像面の位置の間隔、すなわち標本化の間隔は視距離の２乗に比例している。上記以外の再生域は、ｎ＝２０の２次元画像で無限遠まで代表する。
【００３８】
また、図４の曲線４１および４２を比較して明らかなように、両眼視差による奥行きの知覚感度が約２０倍程度高いことから、本発明装置においても、両眼での立体画像観察が望まれる。したがって、本発明装置においても、図８に示すように、左右各肉眼ＥＲおよびＥＬに関して、図１および図２で説明した表示機構部をそれぞれ対応して設けることができる。図８における両眼の表示機構部の図１および図２の各部に対応する部分には、図１および図２における各部の符号にそれぞれＲおよびＬの添字を付して示して重複説明を省略する。この構成によれば、より高い奥行き知覚感度を利用した、したがってすぐれた３次元画像を観察することができる。
【００３９】
また、上述した例では、表示パネル１１を電磁アクチュエータによって移動させて光学的距離Ｌを変化させるようにした場合であるが、この光学的距離の変化は上述の構成に限られるものではなく、例えば図９に示すように、光学系１２と表示パネル１１との間に例えば対の所要の屈折率を有するプリズムＰＲ₁およびＰＲ₂を重ね合せて配置し、例えば一方のプリズムＰＲ₂にアクチュエータを設けてこれを移動させることによって実質的にプリズムの厚さを変化させて光学的距離を変化させる構造とすることもできるなど種々の構成を採ることができる。
【００４０】
上述したように、本発明方法および装置によれば、観察者による立体像の観察を、光学系による像すなわち虚像の移動によって行うことから光学的距離のわずかな移動で奥行きの深いしたがって臨場感のある立体像の観察がなされ、また本発明において、両眼での立体画像観察を行う場合、各２次元画像表示面、すなわち再生立体像に輻輳および調節が一致するため、疲労感、違和感の減少を効果的にはかることができる。
【００４１】
【発明の効果】
上述したように、本発明による３次元画像表示方法とその表示装置によれば、その像の観察は、光学系による像（虚像）の観察によるものであってスクリーン上の画像の観察によらないことからスクリーンを設けることによる装置の大型化を回避できる。
また、観察者による立体像の観察は、光学系による像すなわち虚像の移動であることから光学的距離のわずかな移動で奥行きの深いしたがって臨場感のある立体像の観察がなされる。また本発明において、両眼での立体画像観察を行う場合、各２次元画像表示面、すなわち再生立体像に輻輳および調節が一致するため、疲労感、違和感の減少を効果的にはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による３次元画像表示装置の一例の構成図である。
【図２】本発明による３次元画像表示装置の立体的光学図である。
【図３】本発明の原理の説明に供する光路図である。
【図４】本発明の説明に供する視距離と視覚の奥行き知覚感度との関係を示す図である。
【図５】表示パネルの移動態様の一例を示す図である。
【図６】表示パネルの移動態様の他の例を示す図である。
【図７】本発明装置の奥行き標本化の例の説明図である。
【図８】本発明装置の光学的距離の変更手段の一例の構成図である。
【図９】本発明装置の光学的距離の変更手段の他の一例の構成図である。
【図１０】従来の立体観察装置の一例の概略構成図である。
【符号の説明】
１１高速表示パネル、１２光学系、１３位置制御装置、１４表示機構、Ｅ，Ｅ_L，Ｅ_R 肉眼、Ｉｖ，Ｉｖ₁，Ｉｖ₂，Ｉｖ₃，Ｉｖ₄ ２次元画像[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional image display method capable of observing a so-called stereoscopic image and a display device thereof.
[0002]
[Prior art]
An example of a conventional binocular stereoscopic image display method for observing a stereoscopic image has different polarization directions in consideration of the parallax between the left and right naked eyes projected on the screen Sc as shown in a schematic configuration diagram in FIG. By observing the left and right projected images IL and IR with the left and right naked eyes EL and ER through polarized glasses G having different polarization directions with respect to the left and right, the left and right projected images IL and IR are superposed on the observer and observed as a three-dimensional image. Widely known.
[0003]
In this case, in the example of FIG. 10, the observer focuses the optical images IL and IR projected on the screen Sc while focusing the eyes, but the convergence positions of the two images IL and IR are There is a problem that the observer Po is considerably fatigued and uncomfortable because it is a position Po far ahead of the Sc position Ps.
[0004]
In order to solve such a problem of fatigue, various types of apparatuses have been proposed as apparatuses capable of observing as a better three-dimensional image or three-dimensional image. For example, a screen that moves in the depth direction is provided. On the other hand, a 3D image is divided into samples in the depth direction, and the screen is moved according to the divided depth position of the image so that the observer can view the image on the screen as a 3D image. It can be observed as. However, moving the screen in this way is especially inevitable in increasing the size of the apparatus when widening the three-dimensional image, and the three-dimensional image is also a three-dimensional image overflowing with a deep sense of presence. Many problems remain in any apparatus, such as inability to observe.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a three-dimensional image display method with a simple configuration that improves fatigue and a sense of incongruity, and that allows a stereoscopic display to be observed with an excellent sense of presence over a deep depth ranging from a short distance to infinity. And a display device thereof.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The three-dimensional image display method according to the present invention includes a plurality of two-dimensional images having an interval proportional to the square of the viewing distance in a part or all of the three-dimensional image display space with respect to the depth direction. The two-dimensional images are sequentially displayed, and the displayed two-dimensional images are observed by the naked eye through the optical system as virtual images by the optical system. The optical system and the displayed two-dimensional image are The two-dimensional image divided in the depth direction of the three-dimensional image display space corresponding to each moving position is changed by changing the optical distance within the afterimage time of the naked eye and moving the position of the virtual image in the optical axis direction. The three-dimensional image is observed with the naked eye by superimposing the virtual images of these two-dimensional images so as to be displayed at the time of the moving position.
[0007]
A three-dimensional image display device according to the present invention includes an image display panel capable of high-speed display, an optical system that allows a two-dimensional image displayed on the image display panel to be observed with the naked eye by its virtual image, and an image display panel and an optical system. And a position control device that changes the optical distance between them by electrical control. The three-dimensional image display space for display purposes is divided into a plurality of two-dimensional images with an interval proportional to the square of the viewing distance in a part or all of the three-dimensional image display space in the depth direction. The optical distance between the panel and the optical system is changed by the position control device within the afterimage time of the naked eye, and each two-dimensional image is sequentially displayed on the image display panel, and the position of the virtual image of these displayed two-dimensional images Are moved in the optical axis direction, and two-dimensional images corresponding to the respective movement positions divided in the depth direction of the three-dimensional image display space are sequentially displayed at the time of the respective movement positions, and the virtual images of these two-dimensional images are superimposed. The three-dimensional image is observed with the naked eye by the combined observation.
[0008]
According to the above-described three-dimensional image display method and display device according to the present invention, the image is observed by observing an image (virtual image) by an optical system and not by observing an image on the screen. The enlargement of the apparatus by providing can be avoided.
In addition, since the observation of the stereoscopic image by the observer is the movement of the image, that is, the virtual image by the optical system, the stereoscopic image having a deep depth and therefore a realistic feeling can be observed by a slight movement of the optical distance. Further, in the present invention, when performing stereoscopic image observation with both eyes, the convergence and adjustment coincide with each two-dimensional image display surface, that is, the reproduced stereoscopic image, so that it is possible to effectively reduce fatigue and discomfort. .
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A three-dimensional image display method and display device according to the present invention will be described.
FIG. 1 shows a basic configuration diagram of a display device of the present invention based on the method of the present invention, and FIG. 2 shows a stereoscopic optical diagram thereof. The present invention will be described with reference to FIGS.
The apparatus according to the present invention includes an image display panel 11 capable of high-speed display, such as a liquid crystal display panel, and an optical system 12 for observing the two-dimensional image ID displayed on the image display panel 11 with the naked eye E using a virtual image, for example, a so-called eyepiece or convex lens. A display having a concave mirror and a position control device 13 that changes an optical distance L between the image display panel 11 and the optical system 12 (that is, a product of the spatial distance between them and the refractive index in this space) L by electrical control. The mechanism part 14 is comprised.
[0010]
The control device 13 that changes the optical distance L by controlling it with an electrical signal can be constituted by, for example, an electromagnetic actuator. For example, as shown in FIG. 1, for example, a liquid crystal display panel 11 capable of high-speed display, for example, a magnet or an electromagnetic coil so-called voice coil 13 </ b> C is arranged, and a magnet or an electromagnet 13 </ b> M is arranged at a fixed portion on the outer periphery. For example, the panel 11 is configured to move in the optical axis direction by supplying a required control current to the voice coil or the stationary electromagnetic coil.
[0011]
In the illustrated example, when the optical system 12 has a convex lens configuration, the distance between the convex lens 12 and the naked eye E is set to one of the convex lenses so that the display optical image on the image display panel 11 is observed as a virtual image Iv by the lens 12. Select the focal length. That is, the naked eye E is positioned at one focal point F of the convex lens 12.
[0012]
On the other hand, a three-dimensional image display space for display purposes is converted into a plurality of two-dimensional images over a range from the near point position of the naked eye E with respect to the depth direction, for example, the distance of clear vision, to the infinity distance within a certain viewing angle θ. The sample is divided by a computer, and the two-dimensional image is sequentially displayed on the image display panel 11. The interval at which the divided sampling is performed is an interval proportional to the square of the viewing distance over a partial region or the entire region in the depth direction. The viewing angle θ at this time is usually selected to be about 30 ° in the horizontal direction because the viewing angle that can be collectively confirmed by humans is said to be 30 ° in the horizontal direction. For example, the length of the side in the vertical direction / the length of the side in the horizontal direction is selected to be a ratio of 3/4.
[0013]
At this time, the distance L between the optical system 12 and the image display panel 11 is changed. In the illustrated example, the distance L is changed by reciprocating the image display panel 11 in the direction of the optical axis OO ′ by driving the position control device 13, that is, driving the above-described actuator.
[0014]
The movement of the optical distance L is, for example, one-way movement, one reciprocation, or a plurality of reciprocation movements within the afterimage time of the human, and the image display panel 11 is divided in accordance with this movement in accordance with each movement position. The sampled two-dimensional image is displayed on the image display panel 11 at each movement time. That is, the position of the virtual image Iv of the two-dimensional image is moved in the direction of the optical axis OO ′ according to the change in the optical distance L, and is divided into two samples in the depth direction for display purposes corresponding to each moving position. out movies dimension image on the display panel 11, the virtual image _{_{Iv (Iv 1, Iv 2,}} Iv 3, ···) to give at each position of the _{_{_{I 1, I 2, I 3}}} ···.
[0015]
Since this movement is selected within the afterimage time as described above, a virtual image of a two-dimensional image divided into a plurality of depth directions within this afterimage time, which is divided into four in FIG. By observing the virtual images Iv ₁ , Iv ₂ , Iv ₃ , and Iv ₄ of the three-dimensional image superimposed on each other, a deep wrinkle can be observed as a three-dimensional image.
[0016]
Next, the relationship between the change in the optical distance L and the amount of movement of the virtual image will be described with reference to the two-dimensional optical diagram of the configuration of the present invention in FIG.
In this case, if the viewing distance (the distance from the naked eye E, that is, the focal point F of the convex lens of the optical system 11 to the virtual image Iv) is Z ′, Z ′ is given by the following (Equation 1).
[0017]
[Expression 1]
Z ′ = − f ′ ² / Z (1)
[0018]
That is, the optical system 12 is a thin convex lens and handles paraxial light, and the distance from the focal points F and F ′ of the lens, that is, the focal lengths are f and f ′, and the distance from the focal point F to the object point is When Z is Z and the distance from the focal point F ′ to the image point (hereinafter referred to as the viewing distance) is Z ′, the following (Equation 2) is given (Newton's formula).
[0019]
[Expression 2]
ZZ '= ff' = f ' ² (2)
(However, f '=-f)
Thus, the above (Equation 1) is obtained.
[0020]
Then, in the present invention configured as described above, the naked eye E is positioned at the focal point F 'of the lens 12, the image on the display panel 11 at the object point ie 1 and 2 are in the position R ₁ From this state, when the case where the position of the image (object point) is slightly moved to R ₂ , the virtual image observed with the naked eye E at this time moves from the image point I ₁ to I ₂ . Now, when the movement amount ΔZ ′ of the image point when the object point moves by ΔZ, it is given by the following (Equation 3) from the differentiation of (Equation 1).
[0021]
[Equation 3]
ΔZ ′ = (f ′ ² / Z ² ) · ΔZ (3)
[0022]
Further, when the moving speed of the display panel 11 is v and the afterimage time of the naked eye is Δt, the relationship of (Equation 4) is obtained.
[0023]
[Expression 4]
ΔZ ′ = (f ′ ² / Z ² ) · ΔZ = (Z ′ ² / f ′ ² ) · vΔt (4)
[0024]
That is, the movement amount ΔZ ′ of the virtual image when the display panel 11 is moved at the constant speed v in the above configuration is proportional to the square of the viewing distance Z ′.
[0025]
By the way, as shown in FIG. 4 (see Television Society magazine “Television” 1977, VOL. 31, No. 8, pages 652, FIG. 4), the depth perception sensitivity in human vision is a curve in the case of adjustment or convergence. 41, and a curve 42 in the case of binocular parallax. The viewing distance here as D [m], the depth discrimination threshold amount [Delta] D [m] of the curve 41 is [Delta] D ≒ D ^2/400 (m), curve 41, [Delta] D ≒ D ^2/20 and [m] Become. That is, as the viewing distance D increases, the depth perception sensitivity rapidly decreases in inverse proportion to the square of the viewing distance D.
[0026]
That is, as described above, the movement amount ΔZ ′ of the virtual image changes in proportion to the square of the viewing distance, but at the same time, the perceptual sensitivity also decreases in proportion to the square of the viewing distance. That is, for example, when the display panel 11 is moved with constant linear motion, the above-described observation of the three-dimensional image by the plurality of two-dimensional images is performed without feeling unnaturalness.
Therefore, the design of the actuator motion control is also simplified.
[0027]
In addition, as described above, since the sensitivity of human observation with the naked eye decreases as the distance increases, sampling in a two-dimensional image is sufficiently large for a position farther than a certain distance in a three-dimensional optical image. For example, only a two-dimensional image at infinity is sufficient.
[0028]
The display of the above-described two-dimensional image on the display panel can be configured to display by line sequential or plane sequential.
[0029]
Then, the change in the optical distance L, that is, the movement of the display panel 11 in this configuration, moves stepwise (intermittently) like positions R ₁ , R ₂ , R ₃ ... As shown in FIG. The two-dimensional optical image obtained by dividing each divided sample by the display panel 11 is displayed only in the section Δt _D fixed to each position R ₁ , R ₂ , R ₃ ..., And each position R ₁ , R The moving section Δt _M of the display panel 11 by the actuator between ₂ , R ₃ ... Can be a blanking period of each display image.
[0030]
Alternatively, as shown in FIG. 6, the position of the display panel can be changed continuously. In this case, if a two-dimensional image is displayed sequentially, for example, by line sequential during the movement, the image is distorted. May occur. In order to avoid such an inconvenience, it is desirable to display a display image on a high-speed image display panel capable of displaying one frame at a time, for example, for only a short time.
[0031]
When the depth sampling number, that is, the number of two-dimensional images to be displayed is N and the total movement amount of the image display panel is P, each position Rn of the display panel shown in FIG.
[0032]
[Equation 5]
Rn = P (N−n) / N (5)
(Where n = 1, 2, 3,..., N−1, N)
[0033]
Here, the coordinate origin Rn = 0 is the focal point F in FIG. Therefore, the position Zn ′ of the virtual image surface to be displayed is given by (Equation 6) using (Equation 1).
[0034]
[Formula 6]
Zn ′ = f ² / Rn (6)
[0035]
For example, when the focal length f of the optical system 12 is f = 38.7 mm, P = 3 mm, and N = 20, Zn ′ is as shown in Table 1, and the reproduction area is sampled as shown in FIG. Become.
[0036]
[Table 1]

[0037]
The reproduction range from n = 1 to n = 19 ranges from 0.53 m to 10 m, and the interval between the positions of the virtual image plane, that is, the sampling interval is proportional to the square of the viewing distance. The reproduction area other than the above is represented by a two-dimensional image of n = 20 up to infinity.
[0038]
Further, as apparent from the comparison of the

curves

41 and 42 in FIG. 4, the depth perception sensitivity due to binocular parallax is about 20 times higher, so that the stereoscopic image observation with both eyes is also desired in the device of the present invention. It is. Therefore, also in the device of the present invention, as shown in FIG. 8, the display mechanism portions described in FIGS. 1 and 2 can be provided correspondingly to the left and right naked eyes ER and EL, respectively. Parts of the binocular display mechanism in FIG. 8 that correspond to the parts in FIGS. 1 and 2 are denoted by the suffixes R and L to the reference numerals in FIGS. To do. According to this configuration, it is possible to observe a superior three-dimensional image using higher depth perception sensitivity.
[0039]
In the above-described example, the display panel 11 is moved by an electromagnetic actuator to change the optical distance L. However, the change in the optical distance is not limited to the above-described configuration. As shown in FIG. 9, for example, a pair of prisms PR ₁ and PR ₂ having a required refractive index are arranged so as to overlap each other between the optical system 12 and the display panel 11. For example, one prism PR ₂ is provided with an actuator. By moving this, various structures can be adopted, such as a structure in which the optical distance can be changed by substantially changing the thickness of the prism.
[0040]
As described above, according to the method and apparatus of the present invention, a stereoscopic image is observed by an observer by moving an image by an optical system, that is, a virtual image. When a stereoscopic image is observed, and in the present invention, when stereoscopic image observation is performed with both eyes, the convergence and adjustment match with each two-dimensional image display surface, that is, the reproduced stereoscopic image, thereby reducing fatigue and discomfort. Can be measured effectively.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the three-dimensional image display method and the display device according to the present invention, the observation of the image is based on the observation of the image (virtual image) by the optical system, not the observation of the image on the screen. Therefore, the enlargement of the apparatus by providing a screen can be avoided.
In addition, since the observation of the stereoscopic image by the observer is the movement of the image, that is, the virtual image by the optical system, the stereoscopic image having a deep depth and therefore a realistic feeling can be observed by a slight movement of the optical distance. Further, in the present invention, when performing stereoscopic image observation with both eyes, the convergence and adjustment coincide with each two-dimensional image display surface, that is, the reproduced stereoscopic image, so that it is possible to effectively reduce fatigue and discomfort. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an example of a three-dimensional image display device according to the present invention.
FIG. 2 is a three-dimensional optical diagram of a three-dimensional image display device according to the present invention.
FIG. 3 is an optical path diagram for explaining the principle of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a viewing distance and visual depth perception sensitivity for explaining the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a movement mode of a display panel.
FIG. 6 is a diagram illustrating another example of a movement mode of the display panel.
FIG. 7 is an explanatory diagram of an example of depth sampling of the device of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram of an example of an optical distance changing unit of the apparatus of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram of another example of the optical distance changing means of the apparatus of the present invention.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of an example of a conventional stereoscopic observation apparatus.
[Explanation of symbols]
11 high-speed display panel, 12 optical system, 13 position control device, 14 display mechanism, E, E _L , E _R naked eye, Iv, Iv ₁ , Iv ₂ , Iv ₃ , Iv ₄ two-dimensional image

Claims

The display target three-dimensional image display space is divided into a plurality of two-dimensional images with an interval proportional to the square of the viewing distance in a part or all of the three-dimensional image display space in the depth direction,
The two-dimensional images are sequentially displayed, and the displayed two-dimensional images are observed with the naked eye through the optical system as virtual images by the optical system,
Changing the optical distance between the optical system and the displayed two-dimensional image within the afterimage time of the naked eye, and moving the position of the virtual image in the optical axis direction;
The two-dimensional image divided in the depth direction of the three-dimensional image display space corresponding to each moving position is displayed at the time of each moving position, and 3 is obtained by superimposing each virtual image of the two-dimensional image. A three-dimensional image display method characterized in that a three-dimensional image is observed with the naked eye.

An image display panel capable of high-speed display;
An optical system for observing the two-dimensional image displayed by the image display panel with the naked eye by the virtual image;
A display mechanism having a position control device that changes an optical distance between the image display panel and the optical system by electrical control;
The display target three-dimensional image display space is divided into a plurality of two-dimensional images with an interval proportional to the square of the viewing distance in a part or all of the three-dimensional image display space in the depth direction,
The optical distance between the image display panel and the optical system is changed within the afterimage time of the naked eye by the position control device, and the two-dimensional images are sequentially displayed on the image display panel to display the display 2. Move the position of the virtual image of the three-dimensional image in the optical axis direction,
A two-dimensional image corresponding to each moving position divided in the depth direction of the three-dimensional image display space is sequentially displayed at the time of each moving position, and a three-dimensional image is obtained by superimposing each virtual image of the two-dimensional image. A three-dimensional image display device characterized in that the image is observed with the naked eye.

3. The display mechanism unit is provided corresponding to each eye of an observer, and the display two-dimensional image in each display mechanism unit is an image in consideration of parallax between the two eyes. The three-dimensional image display apparatus described in 1.

The three-dimensional image display device according to claim 2, wherein the optical distance by the position control device of the display mechanism section is changed stepwise.

The display mechanism unit is provided with a high-speed image display panel capable of simultaneously displaying the sampled two-dimensional images, and the optical distance by the position control device is changed stepwise , at a predetermined moving position, An image corresponding to the moving position is displayed for a short time at each moving position, and the three-dimensional image is observed with the naked eye by superimposing the virtual images of the two-dimensional image. The three-dimensional image display device according to claim 2.

The three-dimensional image display apparatus according to claim 2, wherein the optical system is fixed, and a focal position of the optical system is set as an observation position with the naked eye.