JP3882273B2 - 両眼立体視表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、観察者の両眼における視差を利用した両眼立体視表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の両眼立体視表示装置としては、例えば、図１８に示すようなパララックスバリア方式のものがある。この両眼立体視表示装置は、データ蓄積装置９２、左右画像生成装置９３、画像合成装置９４を有する画像生成部９０および表示画面９５および格子状のスリットを有するパララックスバリア板９６からなる表示部９１から構成されている。
【０００３】
データ蓄積装置９２には、表示しようとする物体の形状に関する３次元画像データが収納されている。左右画像生成装置９３では、この３次元画像データと事前に定められた観察位置座標から、観察者の左右それぞれの眼から見た視差を算出し、図１９の（ａ）に示すような、左眼用と右眼用の２枚の画像を生成する。画像合成装置９４では、これらの２枚の画像を、先ず図１９の（ｂ）に示すように、微細な短冊状に分割し、左右それぞれから一つおきに取り出して、これを交互にならベ、図１９の（ｃ）に示すような、立体視画像データ１０４’を合成し、表示部９１に供給する。
【０００４】
表示部９１の表示画面９５には、図１９の（ｄ）に示すように、左右交互に配列された短冊状の立体視画像１０４が表示され、この立体視画像１０４を所定の位置からパララックスバリア板９６を通して両眼で観察すると、左右それぞれの眼は、画面の一部が遮断された画像を視認することになる。
【０００５】
パララックスバリア板９６のスリット幅、ピッチおよび表示画面の位置関係を適正に設定することにより、左眼からは、右眼用の画像から生成された短冊状の画像はパララックスバリア板９６により遮断される。そのため、左眼は、図１９の（ａ）に示された左眼用の画像から生成された短冊状の画像のみを視認する。同様に、右眼は、図１９の（ａ）に示された右眼用の画像から生成された短冊状の画像のみを視認し、この両眼視差により立体像が認識される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこのような従来の両眼立体視表示装置では、立体像は光学的には、空間中の一平面上に形成されるため、観察者の両眼の遠近調節は、観察位置から平面までの距離に対応して行われる。
一方、提示されている物体を両眼で観察する場合の視線の輻輳角は、３次元物体の立体像の一点に合わされる。実空間では、遠近調節で調節された距離と輻輳角は、連動して変化するが、上記の両眼立体視表示装置で表示された立体像では、観察位置から表示面までの距離と表示された立体像までの仮想的な距離は一致しないため、遠近調節で調節された距離と輻輳角にずれが生じる。
【０００７】
表示された立体像が、表示面近傍に提示されている場合には、遠近調節で調節された距離と輻輳角のずれが小さいため、立体像の観察に支障はないが、提示される立体像が大きな奥行きを有する場合には、ずれが大きいため、観察者が違和感を感じたり、長時間の視認により疲労を感じるという問題があった。
したがって本発明は上記従来の問題点に鑑み、近くから遠くまで、遠近調節で調節された距離と輻輳角のずれが小さい立体像を提示し、観察者の視認性を向上し、観察者が感じる違和感や疲労感が少ない両眼立体視表示装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、左右両眼に対する視差を利用して立体像を表示する両眼立体視表示装置において、観察位置からの距離を違えた３以上の複数の距離に仮想スクリーンを設定し、仮想スクリーンを含む距離範囲毎に３次元画像データから視差量を算出して複数の立体視画像を生成する画像生成手段と、複数の立体視画像を表示する表示手段と、表示手段に表示された複数の立体視画像を、距離範囲毎に複数の仮想スクリーンに対応する位置で立体像として重畳する光学手段とを設け、仮想スクリーンを、観察位置から前記仮想スクリーンまでの距離の逆数が等間隔になるように設定するものとした。
また、距離範囲を各々隣接させることができる。
さらに、距離範囲を、各々部分的に重ならせることもできる。
【０００９】
また、表示手段が複数の立体視画像を１つの表示画面の所定領域に表示することができる。
さらに、光学手段が表示手段に表示された立体視画像を光学的に重畳するミラーおよびハーフミラー、表示手段に表示された前記立体視画像を所定の倍率で拡大する光学素子および観察位置と焦点位置が略一致するように配置されたレンズを有することができる。
また、表示手段が複数の立体視画像を時系列的に表示し、光学手段は、表示手段に同期して光学素子を駆動することにより、立体像を重畳することもできる。さらに、表示手段が複数の立体視画像を、それぞれ異なる発光スペクトルで表示し、前記光学手段が前記複数の立体視画像を光学的に重畳する回折格子を有することもできる。
【００１０】
【作用】
観察位置からの距離を違えた３以上の複数の距離に仮想スクリーンを設定し、その仮想スクリーンを含む距離範囲毎に３次元画像データから視差量を算出して複数の立体視画像を生成し、その立体視画像を複数の表示装置に表示し、光学的に重畳する。
そのため、それぞれの仮想スクリーンの前後に立体像が提示され、観察者は近い位置に提示される立体像は近い位置に設定された仮想スクリーン上で視認し、遠い位置に提示された立体像は遠い位置に設定された仮想スクリーン上で視認するため、観察者の両眼の遠近調節により調節された距離と輻輳角のずれは小さくなる。
【００１１】
そしてとくに、仮想スクリーンを前記観察位置から前記仮想スクリーンまでの距離の逆数が等間隔になるように設けているので、各仮想スクリーン間を視点が移動する際の眼屈折力調整の負担が一定になる。
【００１２】
また、複数の距離範囲を隣接させることにより、立体像の連続性が保たれる。なお、立体視画像の距離範囲の端部を重ねることにより、光学系のレイアウトやレンズの焦点距離に誤差が生じても、提示される立体像がとぎれることがない。
さらに、一つの表示装置で複数の立体視画像を表示することにより、装置の全体構成が簡単化する。
また、ミラーおよびハーフミラーを用いて立体視画像を重畳することにより、立体視像と実画像を重ねて観察できる。
また、所定に倍率で拡大する光学素子を光路に設けることにより、光路長を短縮できる
【００１３】
また、複数の立体視画像を時分割表示し、光学系を同期して移動し、それぞれの立体視画像の光路長を観察距離に対応させて変更することにより、装置の全体構成が小型化する。
なお、複数の立体視画像を生成し、異なった周波数の光で表示して、回折格子を用いて、立体像を重畳することにより、近くから遠くまで、遠近調節で調節された距離と輻輳角のずれが小さい立体像を表示することができる。回折格子としてホログラムを使用すれば、光学系のレイアウト設計の自由度が大きくなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を実施例により説明する。図１は本発明の第１の実施例を示す図である。
この両眼立体視表示装置は、３次元画像データから３枚の立体視画像を生成する画像生成部１と立体視画像を表示する表示部２と３枚の立体視画像を光学的に重畳する光学部３から構成されている。
画像生成部１は、データ蓄積装置４、画像分割装置５、左右画像生成装置６および画像合成装置７から構成される。
データ蓄積装置４には、図２に示すように、互いに異なる位置に配置されている観察位置Ｏと三角垂Ａ、直方体Ｂおよび直方体Ｃに関する３次元画像データが収納されている。
【００１５】
画像分割装置５は、あらかじめ定められた観察位置座標をもとに、３次元画像データを観察位置Ｏからの距離を違えた３点に設けた仮想スクリーンの前後を含む３つの距離範囲に分割する。
観察位置Ｏからもっとも近くに設定される仮想スクリーンＳ１と観察位置Ｏ間の距離を観察距離Ｚ１とし、観察距離Ｚ１の前後の範囲を距離範囲Ｄ１、仮想スクリーンＳ１より遠い位置に設定される仮想スクリーンＳ２までの距離を観察距離Ｚ２、観察距離Ｚ２の前後の範囲を距離範囲Ｄ２、最も遠い位置に設定される仮想スクリーンＳ３までの距離を観察距離Ｚ３、観察距離Ｚ３の前後の範囲を距離範囲Ｄ３とし、距離範囲Ｄ１、Ｄ２およびＤ３は隣接するよう設定される。
【００１６】
左右画像生成装置６は、それぞれの距離範囲ごとに、３次元画像データと観察位置座標から、観察位置Ｏにおいて左眼で視認される画像と右眼で視認される画像を生成する。本実施例では、図３の（ａ）に示す三角垂Ａの左目用と右目用の画像、（ｂ）に示す直方体Ｂの左目用と右目用の画像および（ｃ）に示す直方体Ｃの左目用と右目用の画像を生成する。左右画像の生成時には、左眼と右眼のそれぞれの位置から表示範囲を観察したときに、表示範囲の物体の前後関係に応じて、近くに配置された物体が遠方に配置された物体を遮蔽したときに生じる、隠れ線および隠れ面の計算も同時に行う。
画像合成装置７では、図３に示すように、これらの左右画像を短冊状に分割しひとつおきに合成した立体視画像データ１０１’、１０２’、１０３’を生成し、表示部２に供給する。
【００１７】
表示部２は、観察距離Ｚ１、Ｚ２およびＺ３に対応した位置に配置された３つの表示装置８、９および１０から構成される。それぞれの表示装置８、９および１０は、図４に示すように、表示画面１４、１５および１６とパララックスバリア板１７、１８および１９からなり、表示画面１４には、観察位置Ｏの最も近くに配置されている三角垂Ａの立体視画像１０１が表示され、表示画面１５には、次に配置されている直方体Ｂの立体視画像１０２が、表示画面１６には、最遠方に配置されている直方体Ｃの立体視画像１０３が表示されている。
表示画面１４、１５および１６は、観察位置Ｏからの距離が、それぞれ観察距離Ｚ１、Ｚ２およびＺ３となるように配置され、パララックスバリア板１７、１８および１９のスリット幅およびピッチは、観察距離Ｚ１、Ｚ２およびＺ３に適合するように設定されている。
【００１８】
光学部３は、ハーフミラー１１、１２およびミラー１３から構成され、表示装置８に表示された立体視画像１０１は、ハーフミラー１１で反射し、立体像として観察者に観察される。
同様に表示装置９に表示される立体視画像１０２は、ハーフミラー１２で反射し、ハーフミラー１１を透過し、表示装置１０に表示される立体視画像１０３はミラー１３で反射し、ハーフミラー１２および１１を透過して、立体像として観察者に観察される。
なお、画像蓄積装置４、画像分割装置５、左右画像生成装置６および画像合成装置７からなる画像生成部１は発明の画像生成手段を構成し、表示装置８、表示装置９および表示装置１０からなる表示部２は表示手段を、ハーフミラー１１、ハーフミラー１２およびミラー１３からなる光学部３は光学手段を構成する。
【００１９】
次に、観察者の両眼の遠近調節により調節された距離と輻輳角の関係を説明する。
図５の横軸は、眼の遠近調節機能により網膜上にピントが合わされている距離の逆数を示し、省略して調節と表示している。縦軸は、眼の輻輳機能による注視点までの距離の逆数を示し、省略して輻輳と表示している。
通常、実空間で物体を観察する場合には、遠近調節による距離と輻輳機能による距離は比例しているため、物体を視認する際には、その遠近調節による距離と輻輳機能のよる距離は、物体までの距離に対応して図５の直線Ｋ上を移動する。遠近調節による距離と輻輳機能による距離にずれが生じた場合に、観察者が許容できる範囲は、画像の性質や、観察条件などに左右されるが、直線Ｋの両側に破線で示されるような所定の幅を持って存在する。また、遠近調節機能と輻輳機能のうちどちらが優位に機能するかは定説はないが、遠近調節による距離を基準として説明を行う。
【００２０】
本実施例では、観察位置Ｏから観察距離Ｚ１、Ｚ２およびＺ３の位置に、仮想スクリーンＳ１、Ｓ２およびＳ３が設定されている。仮想スクリーン上では、遠近調節の距離と輻輳機能による距離にはずれはないので、図５のＵ１点、Ｕ２点およびＵ３点に相当する。
ずれの許容幅を考慮すると、Ｕ１点、Ｕ２点およびＵ３点の上下に輻輳機能による距離の許容幅を求めることができる。各表示装置により表示される距離範囲がこの許容幅内に入っていれば、遠近調節の距離と、輻輳機能の距離のずれは、観察の際に視認性を低下させることはない。
本実施例では、仮想スクリーンＳ１で許容できるＸ１からＸ２までを距離範囲Ｄ１に、スクリーンＳ２で許容できるＸ２からＸ３までを距離範囲Ｄ２に、スクリーンＳ３で許容できるＸ３からＸ４までを距離範囲Ｄ３となるように設定することにより、立体像の連続性を保つことができる。
【００２１】
本実施例は以上のように構成され、観察位置からの距離の異なった３点とその前後の距離範囲の３次元画像データから３枚の立体視画像を生成し、パララックスバリア板を用いた表示装置に表示し、ハーフミラーおよびミラーを用いて、観察位置からの距離の異なった３点に仮想スクリーンを作成し、立体像を重畳するものとしたので、近くから遠くまで、遠近調節で調節された距離と輻輳角のずれが小さい立体像を表示し、観察者の視認性を向上し、違和感や疲労感を低減することができる。
【００２２】
さらに、３つの距離範囲を隣接させることにより、立体像の連続性を保ちながら、視認性を向上できる。
なお、本実施例では、立体視画像を作成するためのデータとして、蓄積された３次元画像データを使用したが、これに限られるものではなく、テレイクジスタンス等の遠方に設置された複眼ビデオカメラからの画像を処理して提示することにより、リアルタイムな立体像を表示できる。
【００２３】
次に本発明の第２の実施例について説明する。図６は本実施例の構成を示す図である。この両眼立体視表示装置は、３次元画像データから３枚の立体視画像を生成する画像生成部２０と立体視画像を表示する表示部２と、３枚の立体視画像を光学的に重畳する光学部２１から構成される。
画像生成部２０の画像分割装置２２は、あらかじめ定められた観察位置座標をもとに、データ蓄積装置４に蓄積された３次元画像データを観察位置Ｏからの距離を違えた３つの距離範囲に分割する。
【００２４】
観察位置Ｏからもっとも近くに設定される仮想スクリーンＳ４と観察位置Ｏ間の距離を観察距離Ｚ４とし、観察距離Ｚ４の前後の範囲を距離範囲Ｄ４、仮想スクリーンＳ４より遠い位置に設定される仮想スクリーンＳ５までの距離を観察距離Ｚ５、観察距離Ｚ５の前後の範囲を距離範囲Ｄ５、次に遠い位置に設定される仮想スクリーンＳ６までの距離を観察距離Ｚ６、観察距離Ｚ６の前から無限遠方の範囲を距離範囲Ｄ６とし、距離範囲Ｄ４、Ｄ５およびＤ６は、部分的に重なるように設定される。
画像生成装置２０のその他の構成は、図１に示す第１の実施例の画像生成部１と同様である。
【００２５】
光学部２１は、ハーフミラー１１、１２およびミラー１３と、薄肉凸型で焦点距離ｆのレンズ２３とハーフミラー２４から構成されている。表示装置８、９および１０に表示された立体視画像１０１、１０２および１０３は、前実施例と同じく、ハーフミラー１１および１２とミラー１３で反射した後、レンズ２３で拡大され、ハーフミラー２４で反射し、立体像として観察者に観察される。
観察位置Ｏからは、ハーフミラー２４を通して、実空間にある物体Ｒも観察できる。
レンズ２３は、観察位置Ｏからレンズ２３の焦点距離ｆの位置に略一致するように配置されている。
なお、画像蓄積装置４、画像分割装置２２、左右画像生成装置６および画像合成装置７からなる画像生成部２０は発明の画像生成手段を構成し、ハーフミラー１１、ハーフミラー１２、ミラー１３、レンズ２３およびハーフミラー２４からなる光学部２１は光学手段を構成する。
その他の構成は図１に示す第１の実施例の画像生成部１と同様である。
【００２６】
また、レンズ２３から表示装置８、９および１０の表示画面までの距離を距離ｙ１、ｙ２およびｙ３とすると
ｙｉ＜ｆ （ｉ＝１、２、３）
となるように距離ｙ１、ｙ２およびｙ３は設定される。この時、観察位置Ｏからは、表示画面の正立虚像が観察され、観察位置Ｏから正立虚像面までの距離を距離Ｙ１、Ｙ２およびＹ３とすると、ｙ１、ｙ２およびｙ３は
Ｙｉ＝（ｆ・ｆ）／（ｆ−ｙｉ） （ｉ＝１、２、３）
と表わされる。
【００２７】
距離Ｙ１、Ｙ２およびＹ３が観察距離Ｚ４、Ｚ５およびＺ６と一致するように、表示装置８、９および１０は配置される。
また、表示装置８、９および１０の正立虚像の拡大率をｍ１、ｍ２およびｍ３とすると
ｍｉ＝ｆ／（ｆ−ｙｉ） （ｉ＝１、２、３）
となり、図７に示すように観察位置Ｏから見た場合の３枚の仮想スクリーンを、見込む角度が等しくなる。
【００２８】
遠近調節による距離と輻輳機能による距離にずれが生じた場合に、観察者が許容できる範囲と、表示される立体像の距離間の関係を図８に示す。図８の横軸は、眼の遠近調節機能により網膜上にピントが合わされている距離の逆数を示し、省略して調節と表示している。縦軸は、眼の輻輳機能による注視点までの距離の逆数を示し、省略して輻輳と表示している。
本実施例では、仮想スクリーンＳ４、Ｓ５およびＳ６は、観察位置Ｏから観察距離Ｚ４、Ｚ５およびＺ６だけ離れた位置に設けられ、仮想スクリーン上では、遠近調節の距離と輻輳機能による距離には、ずれはないので、図８のＵ４点、Ｕ５およびＵ６点に相当する。
各表示装置により表示される立体視画像がこのＵ４点、Ｕ５点およびＵ６点の上下の許容幅内に入っていれば、遠近調節の距離と、輻輳機能の距離のずれは、観察の際に視認性を低下させることはない。本実施例では、さらに、３つの距離範囲がその端部において重なっている。
また、表示装置１０の表示距離範囲の最大値は、無限遠に設定されている。
【００２９】
本実施例は以上のように構成され、第１の実施例と同様の効果が得られるとともに、ハーフミラー２４を設けることにより、実空間の物体と両眼立体視表示装置で提示される立体像を重畳して視認することができ、広い応用が可能となる。また、レンズ２３を設けることにより、３つの仮想スクリーンを見込む角度が等しくなるため、それぞれの面全体を使用した立体像を提示することができ、同時に光学系を小型化することができる。
さらに、立体視画像の距離範囲の端部を重ねることにより、光学系のレイアウトやレンズの焦点距離に誤差が生じても、提示される立体像がとぎれることがない。
距離範囲の最大値を無限遠に設定しているため、一層広い範囲の立体像を提示できる。
なお、本実施例では、レンズ２３として薄肉レンズを使用したが、これに限定されない。
【００３０】
次に第３の実施例について説明する。図９は本実施例の構成を示す図である。この両眼立体視表示装置は、３次元画像データから３枚の立体視画像を生成する画像生成部３１と立体視画像を表示する表示部３２と、３枚の立体視画像を光学的に重畳する光学部３３から構成される。
画像生成部３１の画像分割装置３４は、あらかじめ定められた観察位置座標をもとに、データ蓄積装置４に蓄積された３次元画像データを観察位置Ｏからの距離を違えた３つの距離範囲に分割する。観察位置Ｏからもっとも近くに設定される仮想スクリーンＳ７と観察位置Ｏ間の距離をＺ７とし、Ｚ７の前後の範囲を距離範囲Ｄ７、仮想スクリーンＳ７より遠い位置に設定される仮想スクリーンＳ８までの距離をＺ８とし、Ｚ８の前後の範囲を距離範囲Ｄ８、最も遠い位置に設定される仮想スクリーンＳ９までの距離をＺ９、Ｚ９の前後の範囲を距離範囲Ｄ９とし、仮想スクリーンＳ７、Ｓ８およびＳ９が等間隔で配置され、距離範囲Ｄ７、Ｄ８およびＤ９の境界は、仮想スクリーン間の中点となるように設定されている。
画像生成部３１のその他の構成は図１に示す第１の実施例の画像生成部１と同様である。
【００３１】
表示部３２は、その表示画面が３つの表示領域に分割、それぞれの画面の前にパララックスバリア板が設けられた表示装置で、それぞれの表示領域には、立体視画像１０１、１０２および１０３が表示される。立体視画像１０１は、ハーフミラー１１とハーフミラー２４で反射し、立体像として観察者に観察される。
立体視画像１０２は、設定された観察距離に対応するようにレンズ３５で拡大され、ハーフミラー１２で反射し、ハーフミラー１１を透過しハーフミラー２４で反射して、立体像として観察者に観察される。
立体視画像１０３は、設定された観察距離に対応するようにレンズ３６で拡大され、ミラー１３で反射し、ハーフミラー１２および１１を透過して、ハーフミラー２４で反射して、立体像として観察者に観察される。
なお、画像蓄積装置４、画像分割装置３４、左右画像生成装置６および画像合成装置７からなる画像生成部３１は発明の画像生成手段を構成し、表示部３２は表示手段を、ハーフミラー１１、ハーフミラー１２、ミラー１３、ハーフミラー２４、レンズ３５およびレンズ３６からなる光学部３３は、光学手段を構成する。
【００３２】
これにより、第１の実施例と同様の効果が得られるとともに、さらに、仮想スクリーンを等間隔に設定し、距離範囲の境界を仮想スクリーンの中点に設けることにより、提示した立体像を実空間内の基準物体と比較して距離の絶対値を把握するような場合に、正確に距離を認識することができる。
また、一つの表示装置で３つの立体視画像を表示することにより、装置の全体構成を簡単化し、小型化することができる。
【００３３】
なお、仮想スクリーンＳ７、Ｓ８およびＳ９を観察距離Ｚ７、Ｚ８およびＺ９の逆数が等間隔に成るように設定し、距離範囲Ｄ７、Ｄ８およびＤ９を各距離範囲の端部から観察位置までの距離の逆数が、その端部の両側にある仮想スクリーンから観察距離までの距離の逆数の和の１／２になるように設定することにより、各仮想スクリーン間を視点が移動する際の眼屈折力調整の負担を一定にすることができ、近くから遠くまで自然な擬似立体空間を体験することが可能となる。
【００３４】
次に立体視画像を時分割表示する第４の実施例について説明する。図１０は本実施例の構成を示す図である。この両眼立体視表示装置は、３次元画像データから３枚の立体視画像を生成する画像生成部１と立体視画像を時分割表示する表示部４１と、表示部４１と同期して光学系が機械的に移動する光学部４２から構成される。
実施例１と同様に、画像生成部１で生成された立体視画像は表示部４１に供給される。
表示部４１は、立体視画像１０１、１０２および１０３を時分割表示する表示画面とパララックスバリア板からなる表示装置である。
光学部４２は、可動ハーフミラー４３、可動ミラー４４およびミラー４５とレンズ４６から構成されている。
なお、表示部４１は発明の表示手段を、可動ハーフミラー４３１、可動ミラー４４およびミラー４５からなる光学部４２は、光学手段を構成する。
【００３５】
可動ハーフミラー４３は、回転軸Ｑ１を中心にモータで回転され、ストッパ４７で決定される位置Ｐ１とＰ２の間を移動する。
可動ミラー４４は回転軸Ｑ２を中心にモータで回転され、ストッパ４８で決定されるＰ３とＰ４の間を移動する。
図１１は可動ハーフミラー４３と可動ミラー４４および表示部４１に表示される立体視画像１０１、１０２および１０３の切り替えのタイミングを示すタイミングチャートである。
表示部４１に立体視画像１０１が表示されている時には、可動ハーフミラー４３はＰ１の位置にある。立体視画像１０１は可動ハーフミラー４３で反射され、レンズ４６で拡大され立体像として観察者に視認される。
【００３６】
表示部４１に立体視画像１０２が表示されているときには、可動ハーフミラー４３はＰ２の位置にあり、可動ミラー４４はＰ３の位置にある。このために立体視画像１０２は、可動ハーフミラー４３を透過し、可動ミラー４４で反射し、可動ハーフミラー４３の上面で反射してレンズ４６で拡大されて立体像として観察者に視認される。この時の光路長は、回転軸Ｑ１と、Ｐ３の位置にある可動ミラー４４間の距離をＬ１として、２・Ｌ１だけ立体視画像１０１の光路長よりも長くなっている。
【００３７】
表示部４１に立体視画像１０３が表示されているときには、可動ハーフミラー４３はＰ２の位置にあり、可動ミラー４４はＰ４の位置にある。このために立体視画像１０３は、可動ハーフミラー４３を透過し、ミラー４５で反射し、可動ハーフミラー４３の上面で反射してレンズ４６で拡大されて立体像として観察者に視認される。この時の光路長は、回転軸Ｑ１とミラー４５間の距離をＬ２として、２・Ｌ２だけ立体視画像１０１の光路長よりも長くなっている。
【００３８】
本実施例は以上のように構成され、第１の実施例と同様の効果が得られるとともに、３枚の立体視画像を時分割表示し、光学系をこれに同期して移動させ、それぞれの立体視画像の光路長を観察距離に対応させて変更するので、一層装置の全体構成を小型化することができる。
【００３９】
次に第５の実施例について説明する。図１２は本実施例の構成を示す図である。この両眼立体視表示装置は、３次元画像データから３枚の立体視画像を生成する画像生成部１と、立体視画像をそれぞれ異なった周波数を有する光で表示する表示装置５３、５４および５５からなる表示部５１と、回折格子５６とレンズ５７およびレンズ５８からなる光学部５２から構成されている。
実施例１と同様に、画像生成部１で生成された立体視画像は表示部５１に供給される。
表示部５１は、表示画面とパララックスバリア板からなる表示装置５３、５４および５５から構成され、それぞれ異なった周波数の光で表示されている。それぞれの表示装置５３、５４および５５は、表示された立体視画像１０１、１０２および１０３が回折格子５６で観察位置Ｏに回折される位置に配置されている。表示装置５３、表示装置５４および表示装置５５からなる表示部５１は発明の表示手段を構成し、回折格子５６、レンズ５７およびレンズ５８からなる光学部５２は光学手段を構成する。
【００４０】
本実施例は以上のように構成され、３枚の立体視画像を生成し、異なった周波数の光で表示して、回折格子を用いて、立体像を重畳することにより、近くから遠くまで、遠近調節で調節された距離と輻輳角のずれが小さい立体像を表示することができる。また、レンズ５７およびレンズ５８を設けることにより、それぞれの光路長を短くでき、光学系を小型化できる。
なお、回折格子として透過型のホログラムを使用すれば、立体像と実空間の物体を重畳して表示することができる。
また、図１３に示すように、表示装置５３の表示光として周波数λを中心とする単峰性の発光スペクトルを有する光を使用し、同時に表示装置５４の表示光として波長λ±αを中心とした双峰性の発光スペクトルを有する光を使用し、表示装置５５の表示光として波長λ±βを中心とした双峰性の発光スペクトルを有する光を使用することにより、３つの表示光が波長λを中心として対称に形成されているため、３つの立体像の表示色が、近似色となり、自然な立体像を提示することができる。
【００４１】
次にパララックスバリア機能をホログラムに付与した第６の実施例について説明する。図１４は本実施例の構成を示す図である。この両眼立体視表示装置は、３次元画像データから３枚の立体視画像を生成する画像生成部１と立体視画像を表示する表示部６１、パララックスバリア機能を付与されたホログラム６２から構成される。
実施例１と同様に、画像生成部１で生成された立体視画像は表示部６１に供給される。
表示部６１は、透過型液晶パネルを有する表示装置６３、６４および６５から構成され、それぞれ異なった周波数の光源が使用されている。それぞれの表示装置６３、６４および６５は、表示された立体視画像１０１、１０２および１０３がホログラム６２で観察位置Ｏに回折される位置に配置されている。
表示装置６３、表示装置６４および表示装置６５からなる表示部６１は発明の表示手段を構成し、ホログラム６２は光学手段を構成する。
【００４２】
表示装置６３に対応した光束を回折するホログラムの作成方法を説明する。図１５は、右眼用のホログラムの作成のための装置を示している。参照光用光源７１は発散光を出力するレーザ光源７２、拡散透過板７３およびレンズ７４から構成される。レンズ７４は、拡散透過板７３の実像を仮想像面Ｓの位置に結像するように配置されている。
物体光用のレーザ光源７７から出射された光は、拡散反射板７８で反射される。拡散反射板７８は再生時の虚像面に一致するように配置されている。
【００４３】
短冊状のスリットマスク７５はホログラム乾板７６に密着し、スリット幅およびピッチは、観察者の右眼位置ＯＲから拡散反射板７８の短冊状の領域の一つおきの部分のみが視認できるように配置されている。
レーザ光源７２およびレーザ光源７７から、それぞれ拡散透過板７３および拡散反射板７８にレーザ光を照射すると、拡散透過板７３および拡散反射板７８で拡散されたレーザ光がホログラム乾板７６に入射して、その干渉縞が記録される。
これにより右眼用の像再生に対応する仮想スクリーン情報がホログラムとして記録される。
【００４４】
同様に図１６に示す装置で、スリットマスク７９を使用して左眼用のホログラムが作成できる。短冊状のスリットマスク７９はホログラム乾板７６に密着し、スリット幅およびピッチは、観察者の左眼位置ＯＬから拡散反射板７８の短冊状の領域の一つおきの部分のみが視認できるように配置されている。右眼用のホログラム作成と同様に、レーザ光での干渉縞を、ホログラム乾板７６に追記録する。
ホログラム乾板７６に現像・定着処理を施し、回折ハーフミラー機能を有するホログラムを作成することができる。
【００４５】
表示装置６３は、図１７に示すように、画像生成部１から立体視画像情報を供給される液晶駆動回路８１、液晶駆動回路８１により駆動され立体視画像を表示する透過型液晶パネル８２、光源８３、拡散透過板８４および投射用のレンズ８５から構成され、図１５の参照光用光源７１と略一致した位置に配置される。
透過型液晶パネル８２に立体視画像を表示し光源８３から参照光用光源７１と略一致した波長の光線で照射することにより、図１５の拡散反射板７８と略一致した位置に仮想スクリーンＳ１０が形成され、観察者は立体像を視認することができる。
表示装置６４および６５に対応するホログラムも、入射角の違いに対応した波長の参照用光源を適切な位置に配置し、拡散反射板の位置を仮想スクリーンの位置に配置し、同様に作成することができる。
【００４６】
本実施例は以上のように構成され、３次元画像データから３枚の立体視画像生成し、表示装置に表示し、パララックスバリア機能を付与されたホログラムを用いて、観察位置からの距離の異なった３点に仮想スクリーンを作成し、立体像を重畳することにより、近くから遠くまで、遠近調節で調節された距離と輻輳角のずれが小さい立体像を表示できる。
また、ホログラムへの表示装置からの光線の入射角度は、ホログラム作成時に任意に決定できるため、光学系のレイアウト設計の自由度を向上させることができる。
なお、各実施例においては、パララックスバリア方式を使用したが、これに限定されるものではなく、両眼立体視画像を提示するものであればよく、レンチキュラレンズやフライアイレンズを用いた方式等も使用できる。また、多数の視差像を生成する多眼式立体視表示装置にも本発明を適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明は、観察位置からの距離の異なった３以上の複数の距離範囲の３次元画像データから複数の立体視画像生成し、パララックスバリア板を用いた表示装置に表示し、ハーフミラーおよびミラーを用いて、観察位置からの距離の異なった複数の仮想スクリーンを作成し、立体像を重畳することにより、近くから遠くまで、遠近調節で調節された距離と輻輳角のずれが小さい立体像を表示し、観察者の視認性を向上し、違和感や疲労感を低減する。
そして、仮想スクリーンを観察位置から仮想スクリーンまでの距離の逆数が等間隔になるように設けているので、各仮想スクリーン間を視点が移動する際の眼屈折力調整の負担を一定にし、近くから遠くまで自然な擬似立体空間を体験することが可能となる。
【００４８】
また、複数の距離範囲を隣接させることにより、立体像の連続性を保ちながら、視認性を向上できる。
なお、立体視画像の距離範囲の端部を重ねることにより、光学系のレイアウトやレンズの焦点距離に誤差が生じても、提示される立体像がとぎれることがない。
さらに、一つの表示装置で複数の立体視画像を表示することにより、装置の全体構成を簡単化し、小型化することができる。
【００４９】
また、ミラーおよびハーフミラーを用いて立体視画像を重畳することにより、立体視像と実画像を重ねて観察することができ、実用性が向上する。
また、レンズを光路に設けることにより、光路長を短縮でき光学系を小型化することができる。
また、複数の立体視画像を時分割表示し、光学系を同期して移動し、それぞれの立体視画像の光路長を観察距離に対応させて変更することにより、一層装置の全体構成を小型化することができる。
なお、複数の立体視画像を生成し、異なった周波数の光で表示して、回折格子を用いて、立体像を重畳することにより、近くから遠くまで、遠近調節で調節された距離と輻輳角のずれが小さい立体像を表示することができる。回折格子としてホログラムを使用すれば、光学系のレイアウト設計の自由度を向上させることができる。
したがって、近くから遠くまで、観察者の両眼の遠近調節で調節された距離と輻輳角のずれが小さい立体像が提示され、視認性が向上し、観察者は、違和感や疲労感を感じることなく、自然な立体像を観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す図である。
【図２】３次元画像データと仮想スクリーンの関係の説明図である。
【図３】立体視画像を示す図である。
【図４】表示装置を示す図である。
【図５】遠近調節による距離と輻輳機能による距離の関係を示す図である。
【図６】第２の実施例を示す図である。
【図７】仮想スクリーンを示す図である。
【図８】遠近調節による距離と輻輳機能による距離の関係を示す図である。
【図９】第３の実施例を示す図である。
【図１０】第４の実施例を示す図である。
【図１１】可動部の動作のタイミングチャートである。
【図１２】第５の実施例を示す図である。
【図１３】表示光の発光スペクトルを示す図である。
【図１４】第６の実施例を示す図である。
【図１５】ホログラム作成方法の説明図である。
【図１６】ホログラム作成方法の説明図である。
【図１７】表示装置を示す図である。
【図１８】従来例を示す図である。
【図１９】立体視画像の説明図である。
【符号の説明】
１、２０、３１、９０ 画像生成部（画像生成手段）
２、３２、４１、５１、６１、９１ 表示部（表示手段）
３、２１、３３、４２、５２ 光学部（光学手段）
４、９２ データ蓄積装置
５、２２、３４ 画像分割装置
６、９３ 左右画像生成装置
７、９４ 画像合成装置
８、９、１０、５３、５４、５５、６３、６４、６５ 表示装置
１１、１２、２４ ハーフミラー
１３、４５ ミラー
１４、１５、１６、９５ 表示画面
１７、１８、１９、９６ パララックスバリア板
２３、３５、３６、４６、５７、５８、７４、８５ レンズ
４３ 可動ハーフミラー
４４ 可動ミラー
４７、４８ ストッパ
５６ 回折格子
６２ ホログラム
７１ 参照光用光源
７２、７７ レーザ光源
７３、８４ 拡散透過板
７５、７９ スリットマスク
７６ ホログラム乾板
７８ 拡散反射板
８１ 液晶駆動回路
８２ 拡散型液晶パネル
８３ 光源
１０１、１０２、１０３、１０４ 立体視画像
１０１’、１０２’、１０３’、１０４’ 立体視画像データ
Ａ 三角垂
Ｂ、Ｃ 直方体
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６ 距離範囲
Ｄ７、Ｄ８、Ｄ９ 距離範囲
Ｏ 観察位置
ＯＲ 右眼位置
ＯＬ 左眼位置
Ｑ１、Ｑ２ 回転軸
Ｒ 物体
Ｓ 仮想像面
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６ 仮想スクリーン
Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０ 仮想スクリーン
Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４、Ｚ５、Ｚ６ 観察距離
Ｚ７、Ｚ８、Ｚ９ 観察距離

Claims (12)

1. 左右両眼に対する視差を利用して立体像を表示する両眼立体視表示装置において、
   観察位置からの距離を違えた３以上の複数の距離に仮想スクリーンを設定し、該仮想スクリーンを含む距離範囲毎に３次元画像データから視差量を算出して複数の立体視画像を生成する画像生成手段と、
   前記複数の立体視画像を表示する表示手段と、
   該表示手段に表示された前記複数の立体視画像を、前記距離範囲毎に複数の仮想スクリーンに対応する位置で立体像として重畳する光学手段とを設け、
   前記仮想スクリーンが、前記観察位置から前記仮想スクリーンまでの距離の逆数が等間隔になるように設定されていることを特徴とする両眼立体視表示装置。
2. 前記距離範囲が、各々隣接していることを特徴とする請求項１記載の両眼立体視表示装置。
3. 前記距離範囲が、前記距離範囲の端部から観察位置までの距離の逆数が、その端部の両側にある仮想スクリーンから観察距離までの距離の逆数の和の１／２になるように設定されることを特徴とする請求項１または２記載の両眼立体視表示装置。
4. 前記距離範囲が、各々部分的に重なっていることを特徴とする請求項１記載の両眼立体視表示装置。
5. 前記表示手段が前記複数の立体視画像を１つの表示画面の所定領域に表示することを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の両眼立体視表示装置。
6. 前記光学手段が前記表示手段に表示された前記立体視画像を光学的に重畳するミラーおよびハーフミラーを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の両眼立体視表示装置。
7. 前記光学手段が前記表示手段に表示された前記立体視画像を所定の倍率で拡大する光学素子を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１に記載の両眼立体視表示装置。
8. 前記光学手段が観察位置と焦点位置が略一致するように配置されたレンズを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１に記載の両眼立体視表示装置。
9. 前記表示手段が前記複数の立体視画像を時系列的に表示し、前記光学手段は、前記表示手段に同期して光学素子を駆動することにより、立体像を重畳することを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の両眼立体視表示装置。
10. 前記表示手段が前記複数の立体視画像を、それぞれ異なる発光スペクトルで表示し、前記光学手段が前記複数の立体視画像を光学的に重畳する回折格子を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の両眼立体視表示装置。
11. 前記発光スペクトルの一つは略単一の周波数で発光し、他の発光スペクトルは前記略単一の周波数から長短両側に略等間隔に離れた二つの波長で発光することを特徴とする請求項１０記載の両眼立体視表示装置。
12. 前記光学手段が前記複数の立体視画像を光学的に重畳する方向性拡散反射面を記録したホログラムを有することを特徴とする請求項１０または１１記載の両眼立体視表示装置。

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