JP3789321B2 - 表示方法および表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示方法および表示装置に係わり、特に、二次元像と三次元像とを表示可能な表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、CRT(陰極線管)ディスプレイ、液晶ディスプレイ、LED(Light Emission Diode)ディスプレイ、プラズマディスプレイ、FED(Field Emission Display)、DMD(Digital Mirror Display)、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のように、二次元像を表示する二次元表示装置は、広く使用されている。
また、三次元立体像を表示する三次元表示装置として、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面に、二次元像を表示し、かつ、それぞれの表示面に表示される二次元像の輝度を独立に変化させて、三次元立体像を連続的に表示可能な三次元表示方法が、例えば、特許第3022558号明細書(以下、文献(イ)という。)に開示されている。
【0003】
この文献(イ)に記載されている三次元表示方法は、光学的に、複数の表示面、例えば、表示面Aと、表示面Bの2個の表示面を観察者から見て異なった奥行き位置に配置する。
そして、表示面Aと表示面Bの間に存在する三次元物体の三次元立体像を表示する場合には、三次元物体を観察者から見て表示面Aと表示面Bとに射影した二次元像を生成し、これらの二次元像を、表示面Aと表示面Bとに各々表示し、かつ、これらの二次元像の輝度を三次元物体の奥行き位置に応じて変化させる。
このようにすることで、二次元像は、表示面Aと表示面Bの奥行き位置のみに表示されるにも拘わらず、観察者には、三次元物体の奥行き位置にあると感じさせることができる。
このように、前述の文献(イ)に記載の三次元表示方法では、立体視の生理的要因間の矛盾を抑制でき、かつ情報量を少なくでき、電気的に書き換え可能な三次元動画像を再生することが可能となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、従来より、二元像を単独で表示する二次元表示装置、あるいは、三元像立体を単独で表示する三次元表示装置は知られているが、同一の表示装置で、二次元像と三次元立体像とを表示する表示装置は知られていない。
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、同一の装置で、二次元像と三次元像とを切り替えて表示可能な表示方法および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。
【0005】
【課題を解決するための手段】
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。
即ち、本発明は、二次元像と三次元立体像とを切り替えて表示する表示方法であって、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面の中の、互いに隣接する表示面の間の少なくとも一つの表示面の間に、光を透過あるいは遮断する切替板を配置し、前記複数の表示面に対して、表示対象物体を観察者の視線方向から射影した二次元像を生成し、前記切替板を透過状態に切り替え、前記生成された二次元像の輝度(あるいは透過度)を前記各表示面毎に各々独立に変化させて、前記生成された二次元像を複数の表示面に表示して三次元立体像を表示し、前記切替板を遮断状態に切り替え、二次元像を観察者から見て前記切替板の前方の表示面に表示して二次元像を表示する。
【0006】
また、本発明は、二次元像と三次元立体像とを切り替えて表示する表示装置であって、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面と、前記複数の表示面に対して、表示対象物体を観察者の視線方向から射影した二次元像を生成する第1の手段と、互いに隣接する表示面の間の少なくとも一つの表示面の間に配置され、光を透過あるいは遮断する第2の手段と、前記第2の手段を透過状態、あるいは遮断状態に切り替え、観察者から見て前記第2の手段の後方の表示面に表示される二次元像を透過、あるいは遮断する第3の手段と、前記第2の手段が透過状態のときに、前記各表示面に表示される二次元像の輝度(あるいは透過度)を前記各表示面毎に各々独立に変化させて、前記第1の手段で生成された二次元像を前記複数の表示面に表示する第4の手段と、前記第2の手段が非透過状態のときに、観察者から見て前記第2の手段の前方の表示面に二次元像を表示する第5の手段とを具備することを特徴とする。
本発明の好ましい実施の形態では、前記第2の手段は、透過状態あるいは散乱状態に切替可能な散乱板、または、透過状態あるいは反射状態に切替可能な反射板であることを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】
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、実施の形態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。
[実施の形態1]
なお、本実施の形態では、像を配置する「面」という表現を用いるが、これは光学などで多用される像面などと同様な表現であり、かつこのような像面を実現する手段としては、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、波長板などの種々の光学素子と、例えば、CRT(陰極線管)ディスプレイ、液晶ディスプレイ、LED(Light Emission Diode)ディスプレイ、プラズマディスプレイ、FED(Field Emission Display)、DMD(Digital Mirror Display)、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の二次元表示装置とを用いて、多くの光学的組み合わせ技術により、実現可能なことは明らかである。
また、提示する三次元立体像を主に2つの面に二次元像として表示する場合について述べるが、これを2つ以上の面としても同様な効果が期待できることは明らかである。
【0008】
図1は、本発明の実施の形態1の表示方法を説明するための図である。
図1に示すように、本実施の形態では、観察者100の前面に複数の面、例えば、面(101,102)(面101が面102より観察者100に近い)を設定し、これらの面(101,102)にそれぞれ二次元像を表示する。
これらの面(101,102)に複数の二次元像を表示するためには、二次元表示装置と種々の光学素子を用いて光学系を構築する。
この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。
なお、この表示面の設定方法については、前述の文献(イ)を参照されたい。
さらに、本実施の形態では、面101と、面102との間に、切替板200が配置される。
【0009】
この切替板200は、透過状態と非透過状態とが切替可能であり、透過状態において、切替板200の後側の面102に表示された二次元像を透過させ、非透過状態において、切替板200の後側の面102に表示された二次元像を散乱させて遮断する。
したがって、この切替板200が非透過状態のときには、面101に普通の二次元像を表示することにより、観察者100には、面101に表示される二次元像が観察される。
また、この切替板200が透過状態のときには、観察者100には、三次元立体像が観察される。
なお、この切替板200は、切替制御装置210により制御される。
【0010】
以下、切替板200が透過状態のときに、三次元立体像を表示する三次元表示方法について、図2ないし図6を用いて説明する。なお、図3ないし図6では、切替板200の図示は省略している。
初めに、図2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、前記の面(101,102)へ射影した像(以下、「2D化像」と呼ぶ)である2D化像(105,106)を生成する。
この2D化像の生成方法としては、例えば、視線方向から三次元物体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。
【0011】
図3に示すように、前記2D化像(105,106)を、各々面101と面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。
本実施の形態においても、前述の文献(イ)に記載の方法と同様に、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て、表示面101と表示面102の間に存在する三次元物体104の三次元立体像を表示する。
【0012】
その2D化像(105,106)の各々の輝度の変え方の一例について説明する。
例えば、三次元物体104が面101上にある場合には、図3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、面102上の2D化像106の輝度をゼロとする。
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面101より面102側に少し寄った位置にある場合には、図4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。
なお、図3ないし図6では、白黒図面であるため、分かりやすいように、輝度の高い方を濃く示してある。
【0013】
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面101より面102側にさらに寄った位置にある場合には、図5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。
さらに、例えば、三次元物体104が面102上にある場合には、図6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、面101上の2D化像105の輝度をゼロとする。
なお、前述の説明において、面(101,102)上に表示される2D化像の輝度をゼロとするとは、面(101,102)上に何も表示しないことを意味する。
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、面(101,102)にほぼ等輝度の2D化像(105,106)を表示した場合には、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。
この場合に、この三次元物体104は、観察者100には立体感を伴って知覚される。
【0014】
なお、前記説明においては、例えば、三次元物体全体の奥行き位置を、例えば、面(101,102)に表示した二次元像を用いて表現する方法について主に述べたが、本実施の形態の方法は、例えば、三次元物体自体が有する奥行きを表現する方法としても使用できることは明らかである。
三次元物体自体が有する奥行きを表現する場合における重要な要点は、図1に示す構成を有する装置上で、2D化像(105,106)の各々の部位の輝度を、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の各部位が有する奥行き位置に対応して変えることである。
その2D化像(105,106)の各々の輝度の変え方の一例について説明する。
図7(a)が観察者100に近い面、例えば、面101に表示される2D化像の一例であり、図7(b)が観察者100に遠い面、例えば、面102に表示される2D化像の一例である。
例えば、三次元物体として、図7に示したようなケーキを例に取ると、上に立てたロウソクを除き、ケーキ(三次元物体)の上面及び下面は、例えば、ほぼ平坦であり、かつその側面は、例えば、円柱状であり、ロウソクは、例えば、上面の円周近傍に配置する。
【0015】
この場合の2D化像では、上面及び下面においては、上方の方が奥に位置し、かつその側面では真ん中が手前で端に行くに従って奥に位置し、さらに隠れている上方の真ん中は奥に位置することとなる。
この場合、上面及び下面における輝度変化は、観察者100に近い面、例えば、面101においては、図7(a)に示すように、観察者100に近い部位(2D化像では、例えば下方)が輝度が高く、かつ遠い部位(2D化像では、例えば上方)が輝度が低くなるようにその奥行き位置に対応して徐々に変化させる。
また、観察者に遠い面、例えば面102においては、図7(b)に示すように、観察者に近い部位(2D化像では、例えば下方)が輝度が低く、かつ遠い部位(2D化像では、例えば上方)が輝度が高くなるようにその奥行き位置に対応して徐々に変化させる。
【0016】
次に、円柱部分の輝度変化もその奥行き位置に対応して、観察者100に近い面、例えば、面101においては、図7(a)に示すように、観察者100に近い部位(例えば、真中付近)が輝度が高く、かつ遠い部位(例えば、左右の端付近)が輝度が低くなるように徐々に変化させる。
また、観察者100に遠い面、例えば、面102においては、図7(b)に示すように、観察者100に近い部位(例えば、真中付近)が輝度が低く、かつ遠い部位(例えば、左右の端付近)が輝度が高くなるように徐々に変化させる。
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、表示しているのが二次元像であっても、観察者100にはあたかも上面、下面がほぼ平らな円柱状のケーキがあるように感じられる。
【0017】
なお、前述の説明では、二次元像を配置する面の中で主に2つの面に関してのみ記述し、かつ観察者に提示する物体が2つの面の間にある場合について述べたが、二次元像を配置する面の個数がこれよりも多く、あるいは提示する物体の位置が異なる場合であっても、同様な手法により三次元立体像を表示することが可能であることは明らかである。
例えば、面が3つで、観察者100に近い面と、中間の面との間に第1の三次元物体が、中間の面と、観察者100に遠い面との間に第2の三次元物体が存在する場合には、観察者100に近い面と、中間の面とに、第1の三次元物体の2D化像を表示し、中間の面と、観察者100に遠い面とに第2の三次元物体の2D化像を表示することで、第1および第2の三次元物体の三次元立体像を表示することができる。
【0018】
さらに、本実施の形態においては、2D化像が三次元的に移動する場合に関しては特に述べなかったが、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面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、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、三次元立体像の奥行き位置の時間的変化に対応して変化させることにより、三次元像の動画を表現できることは明らかである。
例えば、三次元立体像が面101より面102まで時間的に移動する場合について説明する。
三次元立体像が面101上にある場合には、面101上の2D化像105の輝度を三次元立体像の輝度に等しくし、面102上の2D化像106の輝度はゼロとする。
次に、例えば、三次元立体像が、次第に観察者100より時間的に少し遠ざかり、面101より面102側に時間的に少し寄ってくる場合には、三次元立体像の奥行き位置の移動に対応させて2D化像105の輝度を時間的に少し下げ、かつ2D化像106の輝度を時間的に少し上げる。
【0019】
次に、例えば、三次元立体像が観察者100より時間的にさらに遠ざかり、面101より面102側にさらに寄った位置に時間的に移動する場合には、三次元立体像の奥行き位置の移動に対応させて2D化像105の輝度を時間的にさらに下げ、かつ2D化像106の輝度を時間的にさらに上げる。
また、例えば、三次元立体像が、遂に面102上まで時間的に移動してきた場合には、三次元立体像の奥行き位置の移動に対応させてこの上の2D化像106の輝度を三次元立体像の輝度に等しくなるまで時間的に変化させ、かつ面101上の2D化像105の輝度がゼロとなるまで変化させる。
【0020】
このように表示することにより、人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にはあたかも面(101,102)の間を、面101から面102に三次元立体像が奥行き方向に移動するように感じられる。
なお、前述の説明では、三次元立体像が面101から面102まで移動する場合について述べたが、これが面(101,102)の間の途中の奥行き位置から面102まで移動する場合や、面101から面(101,102)の間の途中の奥行き位置まで移動する場合や、面(101,102)の間の途中の奥行き位置から面(101,102)の間の途中の別な奥行き位置まで移動する場合であっても、同様なことが可能なことは明らかである。
【0021】
また、前述の説明では、2D化像を配置する面の中で主に2つの面に関してのみ記述し、かつ観察者100に提示する三次元立体像が2つの面の間を移動する場合について述べたが、二次元像を配置する面の個数がこれよりも多く、あるいは提示する三次元物体が複数の面をまたがって移動する場合であっても、同様な手法により、三次元立体像を表示可能であり、同様な効果が期待できることは明らかである。
さらに、前述の説明では、1個の三次元立体像が二次元像を配置する2つの面内で移動する場合について説明したが、複数個の三次元物体が移動する場合、即ち、表示される二次元像が、それぞれ移動方向の異なる複数の物体像を含む場合には、各表示面に表示される物体像の輝度を、物体像毎に、その物体の移動方向および移動速度に応じて変化させればよいことは明らかである。
なお、本実施の形態の三次元表示方法の詳細な説明については、前述の文献(イ)(特許第3022558号明細書)を参照されたい。
【0022】
以下、本実施の形態の表示方法を実現するための表示装置の一例について説明する。
図8に示す表示装置は、複数の二次元表示装置(121,122)と、全反射鏡123(例えば、反射率/透過率=100/0)、部分反射鏡124(例えば、反射率/透過率=50/50)を用いて、前述した複数の二元像を表示する結像面(125,126)を構成したものである。
各々の配置を変えることにより、二次元表示装置121の表示が全反射鏡123で反射して部分反射鏡124を透過してできる像面125と、二次元表示装置122の表示が部分反射鏡124で反射してできる像面126とを奥行き方向に異なる位置に配置することができる。これにより、前述の面(101,102)を構成することができる。
このような光学系では、鏡のみを用いるため、画質の劣化が少ない利点を有する。
【0023】
前記二次元表示装置(121,122)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、DMD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る。
但し、本実施の形態における全反射鏡123を部分反射鏡に代えても、二次元表示装置121の像の輝度は低下するが、本発明の効果は同様に得られることは明らかである。
また、図8では、像面の奥行き位置の順序が二次元表示装置の奥行き位置の順序と同じ場合について説明したが、全反射鏡あるいは部分反射鏡から二次元表示装置までの距離を各々変えることにより、この像面奥行き位置の順序を自由に変化できることは明らかである。
【0024】
また、図9に示すように、前記全反射鏡123を使わずに二次表示装置121を直接配置し、部分反射鏡124(例えば、反射率/透過率=50/50)を用いて、前述した複数の二元像を表示する面(125,126)を構成したものである。
即ち、二次元表示装置121の表示が部分反射鏡124を透過してできる像面125と、二次元表示装置122の表示が部分反射鏡124で反射してできる像面126とを奥行き方向に異なる位置に配置することができる。これにより、前述の面(101,102)を構成することができる。
なお、図9では、像面の奥行き位置の順序が、二次元表示装置の奥行き位置の順序と同じ場合について説明したが、部分反射鏡から二次元表示装置までの距離を各々変えることにより、この像面奥行き位置の順序を自由に変化できることは明らかである。
【0025】
前記光学系にレンズなどを含めることにより、像面の位置をよりフレキシブルに変更できる一実施の形態を図10(a)、(b)に示す。
図10(a)に示すように、複数の二次元表示装置(131,132)と、例えば、全反射鏡133(例えば、反射率/透過率=100/0)、部分反射鏡134(例えば、反射率/透過率=50/50)の構成に、例えば、凸レンズ(137,138)を加えて像位置を変えることにより、装置の大きさの制約などにより限られていた像面135と像面136の位置関係をより柔軟に設定できることが分かる。
但し、本実施の形態における全反射鏡133を部分反射鏡に代えても、二次元表示装置131の像の輝度は低下するが、本発明の効果は同様に得られることは明らかである。
【0026】
また、図10(b)に示すように、前記全反射鏡133を使わずに二次元表示装置131を直接配置し、部分反射鏡134(例えば、反射率/透過率=50/50)の構成に、例えば、凸レンズ(137,138)を加えて像位置を変えることにより、装置の大きさの制約などにより限られていた像面135と像面136の位置関係をより柔軟に設定できる。
勿論、凸レンズだけでなく組み合わせレンズなどのレンズ光学系を用いることが歪みなどの点で有利になる場合もあることは、通常のレンズ光学系と同様である。
また、この場合はレンズの焦点距離よりも近い位置に二次元表示装置を設置した虚像を用いる場合を例として示したが、レンズの焦点距離よりも遠い位置に二次元表示装置を設置する実像を用いる場合でも同様なことができることは明らかである。
さらに、図10では、結像面の奥行き位置の順序が二次元表示装置の奥行き位置の順序と同じ場合について説明したが、部分反射鏡から二次元表示装置までの距離を各々変えることやレンズなどの光学系の配置により、この像面奥行き位置の順序を自由に変化できることは明らかである。
【0027】
[実施の形態2]
図11は、本発明の実施の形態2の概略構成を示す図である。
本実施の形態では、図11に示すように、観察者100の前面に、複数の透過型表示装置、例えば、透過型表示装置(111,112)(透過型表示装置111が透過型表示装置112より観察者100に近い)と、種々の光学素子と、光源110を用いて光学系を構築する。
即ち、本実施の形態では、前述の実施の形態1の表示面(101,102)に代えて、透過型表示装置(111,112)を用いるものである。
前記透過型表示装置(111,112)としては、例えば、ツイストネマティック型液晶ディスプレイ、イン・プレイン型液晶ディスプレイ、ホモジニアス型液晶ディスプレイ、強誘電液晶ディスプレイ、ゲスト−ホスト型液晶ディスプレイ、高分子分散型液晶ディスプレイ、ホログラフィック高分子分散型液晶ディスプレイ、あるいはこれらの組み合わせなどを使用する。
また、光学素子としては、例えば、レンズ、全反射鏡、部分反射鏡、曲面鏡、プリズム、偏光素子、波長板などを用いる。
本実施の形態では、一例として光源110が、観察者100から見て最も後方に配置された場合を示す。
なお、本実施の形態に使用可能な透過型表示装置については、特願2000−124036号を参照されたい。
【0028】
また、前述実施の形態と同様、本実施の形態でも、透過型表示装置111と、透過型表示装置112との間に、切替板200が配置される。
したがって、この切替板200が非透過状態のときには、透過型表示装置111に普通の二次元像を表示することにより、観察者100には、透過型表示装置面111に表示される二次元像が観察される。
また、この切替板200が透過状態のときには、観察者100には、三次元立体像が観察される。
以下、切替板200が透過状態のときに、三次元立体像を表示する三次元表示方法について説明する。
本実施の形態においても、前述の実施の形態1と同様、観察者100に提示したい三次元物体104を、観察者100から見て、前記透過型表示装置(111,112)へ射影した2D化像(107,108)を生成する。
【0029】
前記2D化像(107,108)を、図11に示すように、各々透過型表示装置111と透過型表示装置112との双方に、観察者100の右眼と左眼を結ぶ線上の一点から見て重なるように、2D化像(107,108)として表示する。
これは、例えば、2D化像(107,108)の各々の中心位置や重心位置の配置と、各々の像の拡大/縮小率を制御することで可能となる。
前記構成を有する装置上で、観察者100が見る像は、光源110から射出された光で、2D化像108を透過し、さらに2D化像107を透過した光によって生成される。
本実施の形態では、前記構成を有する装置上で、2D化像(107,108)の各々の透過度の配分を、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て、透過型表示装置111と透過型表示装置112との間に存在する三次元物体の三次元立体像を表示する。
その2D化像(107,108)の各々の透過度の変え方の一例について説明する。
【0030】
例えば、三次元物体104が透過型表示装置111上にある場合には、透過型表示装置111上の透過度を、2D化像107の輝度が三次元物体104の輝度に等しくなるように設定し、透過型表示装置112上の2D化像108の部分の透過度を、例えば、その透過型表示装置112の最大値とする。
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、透過型表示装置111より透過型表示装置112側に少し寄った位置にある場合には、透過型表示装置111上の2D化像107の部分の透過度を少し増加させ、透過型表示装置112上の2D化像108の部分の透過度を少し減少させる。
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、透過型表示装置111より透過型表示装置112側にさらに寄った位置にある場合には、透過型表示装置111上の2D化像107の部分の透過度をさらに増加させ、透過型表示装置112上の2D化像108の部分の透過度をさらに減少させる。
【0031】
さらに、例えば、三次元物体104が透過型表示装置112上にある場合には、透過型表示装置112上の透過度を、2D化像108の輝度が三次元物体104の輝度に等しくなるように設定し、透過型表示装置111上の2D化像107の部分の透過度を、例えば、透過型表示装置111の最大値とする。
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(107,108)であっても、観察者100にはあたかも透過型表示装置(111,112)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、透過型表示装置(111,112)にほぼ等輝度の2D化像(107,108)を表示した場合には、透過型表示装置(111,112)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。
この場合に、この三次元物体104は、観察者100には立体感を伴って知覚される。
【0032】
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、例えば、透過型表示装置(111,112)に表示した二次元像を用いて表現する方法について主に述べたが、本実施の形態においても、前述の実施の形態1で説明した方法と同様の手法により、例えば、三次元物体自体が有する奥行きを表現する方法としても使用できることは明らかである。
また、本実施の形態においても、前述の実施の形態1で説明した方法と同様の手法により、2D化像が三次元的に移動する場合には、観察者100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透過型表示装置内での動画再生によって可能であり、また、奥行き方向への移動に関しては、複数の透過型表示装置における透過度の変化を時間的に行うことで、三次元立体像の動画を表現することができることは明らかである。
【0033】
なお、前記実施の形態1では、2D化像(105,106)の各々の輝度の配分を、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化させて三次元立体像を表示する。
また、本実施の形態では、2D化像(107,108)の各々の透過度の配分を、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化させて三次元立体像を表示する。
即ち、前記実施の形態1の方法では、三次元物体104に近い方の面に表示される2D化像の輝度を、三次元物体104に遠い方の面に表示される2D化像の輝度よりも増加させるのに対して、本実施の形態の方法では、三次元物体104に近い方の透過型表示装置に表示される2D化像の透過度を、三次元物体104に遠い方の透過型表示装置に表示される2D化像の透過度よりも減少させる点で異なっている。
【0034】
したがって、本実施の形態において、前記実施の形態1と同様の手法を用いて、三次元物体自体が有する奥行きを表現する場合、あるいは、三次元立体像の動画を表現する場合には、前記実施の形態1において、各表示面に表示される2D化像の輝度を増加させる場合には、各透過型表示装置に表示される2D化像の透過度を減少させ、また、前記実施の形態1において、各表示面に表示される2D化像の輝度を減少させる場合には、各透過型表示装置に表示される2D化像の透過度を増加させるようにすればよい。
また、本実施の形態においても、二次元像を配置する面の中で主に2つの面に関してのみ記述し、かつ観察者に提示する物体が2つの面の間にある場合について述べたが、二次元像を配置する面の個数がこれよりも多く、あるいは提示する物体の位置が異なる場合であっても、同様な手法により、三次元立体像を表示することが可能であることは明らかである。
【0035】
例えば、透過型表示装置が3つで、観察者100に近い透過型表示装置と、中間の透過型表示装置との間に第1の三次元物体が、中間の透過型表示装置と、観察者100に遠い透過型表示装置との間に第2の三次元物体が存在する場合には、観察者100に近い透過型表示装置と、中間の透過型表示装置とに、第1の三次元物体の2D化像を表示し、中間の透過型表示装置と、観察者100に遠い透過型表示装置に第2の三次元物体の2D化像を表示することで、第1および第2の三次元物体の三次元立体像を表示することができる。
なお、本実施の形態の三次元表示方法の詳細な説明については、前述の特願2000−124036号を参照されたい。
また、本実施の形態において、透過型表示装置(111,112)の一方、あるいは、両方は、カラー表示可能な透過型表示装置である場合には、観察者100にはカラーの三次元立体像を観察することが可能となる。
このように、前述の各実施の形態によれば、同一の装置で、かつ、簡単に、二次元像と三次元像とを切り替えて表示することが可能となる。
【0036】
以下に、本実施の形態の透過型表示装置(111,112)に使用可能な液晶ディスプレイを説明する。
以下の液晶ディスプレイは、各画素単位で、光の透過度を変化させることができ、また、各画素毎に、例えば、赤、緑、青のフィルターを交互に配列することにより、フルカラーの透過度を制御することが可能である。
図12は、本実施の形態の透過型表示装置に使用可能なツイストネマティック型液晶ディスプレイの一例を示す要部断面図である。
ツイストネマティック型液晶ディスプレイの基本構成は、例えば、ITOやSnOxなどで形成される透明導電膜(503,504)で、液晶501を挟み、その外側に偏光板(507,508)を配置した構成である。
ここで、透明導電膜(503,504)上には液晶501を配向させるための配向膜(505,506)が配置されており、配向膜(505,506)の配向方向は、例えば、上下で直交化されている。
透明導電膜(503,504)に電圧を印加しない場合には、液晶501の液晶分子は配向膜(505,506)の配向規制力により、配向膜(505,506)の近傍では、例えば、透明導電膜(503,504)に平行に配向方向に沿って並ぶ。
【0037】
この場合、図13(a)に示すように、液晶分子は、ねじれた構造となり、入射光はこの構造に従って偏光方向が、例えば、90度変化する。
一方、図13(b)に示すように、透明導電膜(503,504)に十分な電圧V5aを印加した場合には、液晶分子は、電界により電界方向、例えば、透明導電膜(503,504)に垂直に並び、透過する光の偏光は変化しない。
電圧が、電圧V5a以下の場合にはその電圧に応じて偏光方向は連続的に変化する。
このように、ツイストネマティック型液晶ディスプレイでは、透明導電膜(503,504)に印加する電圧により、出射光の偏光方向を変化でき、これにより、光の出射側に設けられた偏光板507により、出射する光の強度を変化できるので、全体として光の透過度を変化させることができる。
【0038】
図14は、本実施の形態の透過型表示装置に使用可能なイン・プレイン型液晶ディスプレイの一例を示す要部断面図である。
イン・プレイン型液晶ディスプレイの基本構成は、配向膜(512,514)で液晶513を挟み、配向膜514の外側に、例えば、ITOやSnOxなどで形成される透明導電膜(511,515)を設け、さらに、その外側に偏光板(507,508)を配置した構成である。
ここで、透明導電膜(511,515)は同一平面内にあり、また、配向膜512と配向膜514との配向方向は平行である。
図15(a)に示すように、透明導電膜(511,515)間に電圧を印加しない場合には、液晶513の液晶分子は、配向膜(512,514)の配向規制力により、配向膜(512,514)の配向方向に整列する。
【0039】
これに対して、図15(b)に示すように、透明導電膜(511,515)間に閾値電圧以上の充分な電圧V5bを印加すると、液晶分子はその印加電圧方向に整列する。
このように、複屈折性を有する液晶分子の整列する向きが変化するため、出射光の偏光状態を変化できる。
さらに、透明導電膜(511,515)間に印加する電圧がV5b以下の場合には、その電圧に応じた偏光方向の変化が連続的に得られる。
このように、イン・プレイン型液晶ディスプレイでは、透明導電膜(511,515)間に印加する電圧により、出射光の偏光方向を変化でき、これにより、光の出射側に設けられた偏光板507により、出射する光の強度を変化できるので、全体として光の透過度を変化させることができる。
【0040】
図16は、本実施の形態の透過型表示装置に使用可能なホモジニアス型液晶ディスプレイの一例を示す要部断面図である。
ホモジニアス型液晶ディスプレイの基本構成は、例えば、ITOやSnOxなどで形成される透明導電膜(521,525)で、液晶(例えば、ネマティック液晶など)523を挟み、その外側に偏光板(507,508)を配置した構成である。
ここで、透明導電膜(521,525)上には液晶523を配向させるための配向膜(522,524)が配置される。
なお、図16に示す透過型表示装置では、ホモジニアス配向の液晶を用いるため、配向膜522の配向方向と配向膜524との配向方向を同じ(平行)とする。
さらに、ホモジニアス型液晶ディスプレイでは、図17に示すように、入射光の偏光方向を、この配向膜(522,524)の配向方向とずらして入射する。
例えば、直線偏光の時は0度方向と90度方向の中間方向であり、例えば、特に、45度ずらして入射する、あるいは円偏光あるいは楕円偏光とする。
【0041】
図18(b)に示すように、透明導電膜(521,525)間に閾値電圧以上の充分な電圧V5cを加えると、液晶523の液晶分子はその印加電圧方向に整列する。
このため、入射光の偏光方向はほとんど変化せずに出射していく。
これに対して、図18(a)に示すように、透明導電膜(521,525)間に電圧を印加しない場合には、配向膜(522,524)の配向規制力により、液晶分子は、配向膜(522,524)の配向方向に向き、かつ配向膜(522,524)に平行に並ぶ。
このため、入射光はこの液晶分子の複屈折性により偏光方向が変化して出射する。
また、透明導電膜(521,525)間に印加する電圧がV5c以下の場合には、その電圧に応じた偏光方向の変化が連続的に得られる。
このように、ホモジニアス型液晶ディスプレイでは、透明導電膜(521,525)間に印加する電圧により、出射光の偏光方向を可変でき、これにより、光の出射側に設けられた偏光板507により、出射する光の強度を変化できるので、全体として光の透過度を変化させることができる。
【0042】
図19は、本実施の形態の透過型表示装置に使用可能な強誘電あるいは反強誘電型液晶ディスプレイの一例を示す要部断面図である。
強誘電あるいは反強誘電型液晶ディスプレイの基本構成は、例えば、ITOやSnOxなどで形成される透明導電膜(533,534)で、液晶(例えば、強誘電液晶、あるいは反強誘電液晶など)531を挟み、その外側に偏光板(507,508)を配置した構成である。
ここで、透明導電膜(533,534)上には液晶531を配向させるための配向膜(535,536)が配置される。
図20に示すように、透明導電膜(533,534)間に印加する電界の方向にしたがって、液晶531の自発分極の向きが変化するため、液晶531(強誘電液晶あるいは反強誘電液晶)の厚さを充分に薄く(例えば、1μm〜2μm程度など)しておくと、液晶531の自発分極が透明導電膜(533,534)と同じ平面内で変化する。
このように、強誘電あるいは反強誘電型液晶ディスプレイでは、透明導電膜(533,534)間に印加する電圧により、複屈折性を有する液晶分子の整列する向きが変化するため、出射光の偏光状態を変化でき、これにより、光の出射側に設けられた偏光板507により、出射する光の強度を変化でき、全体として光の透過度を変化させることができる。
【0043】
前述の各実施の形態の切替板200としては、透過状態あるいは散乱状態に切替可能な散乱板、または、透過状態あるいは反射状態に切替可能な反射板を使用することが可能である。
この透過状態あるいは散乱状態を切替可能な散乱板としては、高分子分散型液晶ディスプレイ、あるいは、ホログラフィック高分子分散型液晶ディスプレイが使用可能である。
以下、前述の各実施の形態の切替板200として使用可能な高分子分散型液晶ディスプレイ、および、ホログラフィック高分子分散型液晶ディスプレイについて説明する。
【0044】
図21は、前記各実施の形態の切替板に使用可能な高分子分散型液晶ディスプレイの一例を示す要部断面図である。
高分子分散型液晶ディスプレイの基本構成は、高分子551中に液晶552が粒状に分散している高分子分散型液晶層を、透明導電膜(553,554)で挟んだ構成である。
例えば、透明導電膜(553,554)に電圧を印加しない状態では、液晶552はランダムな向きを向いているため、例えば、高分子551と異なる屈折率を有しており、このために入射光は散乱され、その強度は低減される。
一方、透明導電膜(553,554)に電圧を印加した状態では、液晶552は電界方向に向き、例えば、高分子551とほぼ同じ屈折率となるため、入射光はそのまま透過し、その強度は変わらない。
【0045】
図22は、前記各実施の形態の切替板に使用可能なホログラフィック高分子分散型液晶ディスプレイの一例を示す要部断面図である。
ホログラフィック高分子分散型液晶ディスプレイの基本構成は、高分子561中に液晶562が粒状に分散しているホログラフィック高分子分散型液晶層を、透明導電膜(563,564)で挟んだ構成である。
ここで、液晶562の粒子は、使用する波長に比べて小さく、かつ図22に示すように、層状に配列している。
例えば、透明導電膜(563,564)に電圧を印加しない状態では、液晶562はランダムな向きを向いているため、例えば、高分子561と異なる屈折率を有しており、このために入射光は散乱され、層状の配列によりブラッグ反射を起こし、その向きが大きく変化され、例えばその強度は低減される。
【0046】
一方、透明導電膜(563,564)に電圧を印加した状態では、液晶562は電界方向に向き、例えば、高分子561とほぼ同じ屈折率となるため、ブラッグ反射は起こらず、入射光はそのまま透過し、その強度は変わらない。
このように、ホログラフィック高分子分散型液晶ディスプレイによれば、光の透過度を変化させることができる。
ここで、液晶562がランダムな向きを向いている場合に高分子561と屈折率が等しくなり、電界方向を向いた場合に高分子561と屈折率が異なるようにすることもできることは明らかである。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態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。
【0047】
【発明の効果】
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、同一の装置で、かつ、簡単に、二次元像と三次元像とを切り替えて表示することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の表示装置の基本構成を示す図である。
【図2】本発明の実施の形態1の表示面に表示される2D化像の一例を説明するための図である。
【図3】本発明の実施の形態1の表示装置における、切替板が透過状態のときの、三次元立体像の表示方法を説明するための図である。
【図4】本発明の実施の形態1の表示装置における、切替板が透過状態のときの、三次元立体像の表示方法を説明するための図である。
【図5】本発明の実施の形態1の表示装置における、切替板が透過状態のときの、三次元立体像の表示方法を説明するための図である。
【図6】本発明の実施の形態1の表示装置における、切替板が透過状態のときの、三次元立体像の表示方法を説明するための図である。
【図7】本発明の実施の形態1の表示装置における、切替板が透過状態のときの、三次元立体像の他の表示方法を説明するための図である。
【図8】本発明の実施の形態1の表示装置の一例の概略構成を説明するための図である。
【図9】本発明の実施の形態1の表示装置の他の例の概略構成を説明するための図である。
【図10】本発明の実施の形態1の表示装置の他の例の概略構成を説明するための図である。
【図11】本発明の実施の形態2の表示装置の基本構成を示す図である。
【図12】本発明の実施の形態2の透過型表示装置に使用可能なツイストネマティック型液晶ディスプレイの一例を示す要部断面図である。
【図13】ツイストネマティック型液晶ディスプレイの動作を説明するための図である。
【図14】本発明の実施の形態2の透過型表示装置に使用可能なイン・プレイン型液晶ディスプレイの一例を示す要部断面図である。
【図15】イン・プレイン型液晶ディスプレイの動作を説明するための図である。
【図16】本発明の実施の形態2の透過型表示装置に使用可能なホモジニアス型液晶ディスプレイの一例を示す要部断面図である。
【図17】ホモジニアス型液晶ディスプレイの動作を説明するための図である。
【図18】ホモジニアス型液晶ディスプレイの動作を説明するための図である。
【図19】本発明の実施の形態2の透過型表示装置に使用可能な強誘電あるいは反強誘電型液晶ディスプレイの一例を示す要部断面図である。
【図20】強誘電あるいは反強誘電型液晶ディスプレイの動作を説明するための図である。
【図21】本発明の実施の形態の切替板に使用可能な高分子分散型液晶ディスプレイの一例を示す要部断面図である。
【図22】本発明の実施の形態の切替板に使用可能なホログラフィック高分子分散型液晶ディスプレイの一例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
100…観察者、101,102…面、104…三次元物体、105,106,107,108…2D化像、109…三次元立体像、110…光源、111,112…透過型表示装置、121,122,131,132…二次元表示装置、123,133…全反射鏡、124,134…部分反射鏡、125,126,135,136…像面、137,138…凸レンズ、200…切替板、210…切替制御装置、501,513,523,531,552,562…液晶、503,504,511,515,521,525,533,534,553,554,563,564…透明導電膜、505,506,512,514,522,524,535,536,…配向膜、551,561…高分子、507,508…偏光板。
Claims (11)
- 二次元像と三次元立体像とを切り替えて表示する表示方法であって、
観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面の中の、互いに隣接する表示面の間の少なくとも一つの表示面の間に、光を透過あるいは遮断する切替板を配置し、
前記複数の表示面に対して、表示対象物体を観察者の視線方向から射影した二次元像を生成し、
前記切替板を透過状態に切り替え、前記生成された二次元像の輝度を前記各表示面毎に各々独立に変化させて、前記生成された二次元像を複数の表示面に表示して三次元立体像を表示し、
前記切替板を遮断状態に切り替え、二次元像を観察者から見て前記切替板の前方の表示面に表示して二次元像を表示することを特徴とする表示方法。 - 前記切替板を透過状態に切り替え三次元立体像を表示するときに、前記表示対象物体が、観察者に近い奥行き位置に表示される物体である場合に、前記複数の表示面のうちの観察者に近い表示面に表示される前記二次元像の輝度を高くし、観察者から遠い表示面に表示される前記二次元像の輝度を低くし、
また、前記表示対象物体が、観察者から遠い奥行き位置に表示される物体である場合に、前記複数の表示面のうちの観察者に近い表示面に表示される前記二次元像の輝度を低くし、観察者から遠い表示面に表示される前記二次元像の輝度を高くすることを特徴とする請求項1に記載の表示方法。 - 二次元像と三次元立体像とを切り替えて表示する表示方法であって、
観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面の中の、互いに隣接する表示面の間の少なくとも一つの表示面の間に、光を透過あるいは遮断する切替板を配置し、
前記複数の表示面に対して、表示対象物体を観察者の視線方向から射影した二次元像を生成し、
前記切替板を透過状態に切り替え、前記生成された二次元像の透過度を前記各表示面毎に各々独立に変化させて、前記生成された二次元像を複数の表示面に表示して三次元立体像を表示し、
前記切替板を遮断状態に切り替え、二次元像を観察者から見て前記切替板の前方の表示面に表示して二次元像を表示することを特徴とする表示方法。 - 前記切替板を透過状態に切り替え三次元立体像を表示するときに、前記表示対象物体が、観察者に近い奥行き位置に表示される物体である場合に、前記複数の表示面のうちの観察者に近い表示面に表示される前記二次元像の透過度を低くし、観察者から遠い表示面に表示される前記二次元像の透過度を高くし、
また、前記表示対象物体が、観察者から遠い奥行き位置に表示される物体である場合に、前記複数の表示面のうちの観察者に近い表示面に表示される前記二次元像の透過度を高くし、観察者から遠い表示面に表示される前記二次元像の透過度を低くすることを特徴とする請求項3に記載の表示方法。 - 前記二次元像が観察者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、前記二次元像を前記複数の表示面に表示し、かつ観察者の見る総体的な輝度が元の表示対象物体の輝度と等しくなるようにすることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の表示方法。
- 二次元像と三次元立体像とを切り替えて表示する表示装置であって、
観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面と、
前記複数の表示面に対して、表示対象物体を観察者の視線方向から射影した二次元像を生成する第1の手段と、
互いに隣接する表示面の間の少なくとも一つの表示面の間に配置され、光を透過あるいは遮断する第2の手段と、
前記第2の手段を透過状態、あるいは遮断状態に切り替え、観察者から見て前記第2の手段の後方の表示面に表示される二次元像を透過、あるいは遮断する第3の手段と、
前記第2の手段が透過状態のときに、前記各表示面に表示される二次元像の輝度を前記各表示面毎に各々独立に変化させて、前記第1の手段で生成された二次元像を前記複数の表示面に表示する第4の手段と、
前記第2の手段が非透過状態のときに、観察者から見て前記第2の手段の前方の表示面に二次元像を表示する第5の手段とを具備することを特徴とする表示装置。 - 前記複数の表示面は、複数の二次元表示装置と、
前記各二次元表示装置の二次元像をそれぞれ観察者の視線上の像として配置する光学素子とから構成されることを特徴とする請求項6に記載の表示装置。 - 二次元像と三次元立体像とを切り替えて表示する表示装置であって、
観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面と、
前記複数の表示面に対して、表示対象物体を観察者の視線方向から射影した二次元像を生成する第1の手段と、
互いに隣接する表示面の間の少なくとも一つの表示面の間に配置され、光を透過あるいは遮断する第2の手段と、
前記第2の手段を透過状態、あるいは遮断状態に切り替え、観察者から見て前記第2の手段の後方の表示面に表示される二次元像を透過、あるいは遮断する第3の手段と、
前記第2の手段が透過状態のときに、前記各表示面に表示される二次元像の透過度を前記各表示面毎に各々独立に変化させて、前記第1の手段で生成された二次元像を前記複数の表示面に表示する第4の手段と、
前記第2の手段が非透過状態のときに、観察者から見て前記第2の手段の前方の表示面に二次元像を表示する第5の手段とを具備することを特徴とする表示装置。 - 前記複数の表示面は、透過型表示装置で構成されることを特徴とする請求項8に記載の表示装置。
- 前記第2の手段は、透過状態あるいは散乱状態に切替可能な散乱板であることを特徴とする請求項6ないし請求項9のいずれか1項に記載の表示装置。
- 前記第2の手段は、透過状態あるいは反射状態に切替可能な反射板であることを特徴とする請求項6ないし請求項9のいずれか1項に記載の表示装置。
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