JP4492208B2 - 三次元画像再生装置 - Google Patents

Description

本発明は、映像技術分野、アミューズメント分野、エンターテインメント分野、インターネット分野、情報分野、マルチメディア分野、コミュニケーション分野、広告・宣伝分野、医療分野、芸術分野、教育分野、設計支援分野、シミュレーション分野、バーチャルリアリティ、などで使われる三次元表示を可能にする三次元画像再生装置に関する。

従来、三次元画像情報を表示する手段としては、両眼視差を含んだ２枚の絵を右眼で右の画像、左眼で左の画像を見る裸眼実体視平行法、液晶シャッタ付きのメガネや右眼と左眼でそれぞれ違うレンズを用いて見るステレオスコープ、赤と青の色違いの両眼視差絵を赤青メガネを通して画像を見るアナグリフ方式がある。しかし、これらの方法で三次元画像を見る場合には、特殊なメガネや訓練が必要であった。

近年、液晶技術の発展により、特殊なメガネを用いずに三次元表示の可能な液晶ディスプレイが次々と発表されている。その殆どが、イメージスプリッター方式の眼鏡なし三次元液晶表示素子、所謂、パララックスバリア方式やレンチキュラレンズ方式の水平視差のみを有する三次元画像表示装置である。パララックスバリア方式やレンチキュラレンズ方式の三次元表示装置では、右眼位置から右眼画像が、左眼位置から左眼画像が見えるように、空間的に画像光路を分離供給して、立体感を生じさせるものである。従って、空間に周期的に右眼位置と左眼位置に画像光路が分離供給されており、その位置がずれると立体が破綻する。このように原理的に水平方向の視差を含んだ画像を供給する為、右眼位置と左眼位置が水平からずれると立体が破綻してしまうという課題がある。従って、長時間、三次元動画像の立体を保ったまま立体視を行おうとすると、空間の定位置に、右眼位置と左眼位置を固定する必要がある。

水平方向の右眼位置と左眼位置のズレに対しては、観察者の眼の位置や顔の位置をセンサーによって特定して、その位置のズレに合わせて、画像光路を制御修正する方法も考案されているが、装置が大掛かりとなリ、眼の位置や顔の位置をセンシングするためにマーカーを観察者に付けなければならないという煩わしさが生じる。

近年、これらの課題を解決する方法として、Ｍ． Ｇ． Ｌｉｐｍａｎｎによって１９０８年に提案されたインテグラルフォトグラフィを発展させ、フィルムの変わりに、液晶などの二次元表示パネルとピンホールやハエの目レンズアレイを使った三次元の表示方式が、例えば、（特許文献１）において提案されている。
特開２００１−２７５１３４号公報

しかし、インテグラルフォトグラフィで滑らかな三次元を表示するには、１つのピンホール又はレンズの中に異なる視差画像を配置する必要がある。例えば水平垂直方向でそれぞれ５視差の画像を表現するには、５×５で２５画像が必要となる。従って、二次元表示パネルの解像度は三次元表示をする場合、２５分の１の解像度に低下してしまうという課題が有る。

このような解像度の低下を防ぐ為に視差画像の数を少なくする方法はあるが、視差画像の数が少なくなればなるほど、滑らか視差の移動が無くなって、立体感が低下する。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、解像度、画質、立体感を向上することが可能な三次元画像再生装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、三次元画像情報の表示を二次元表示により行い、人間の網膜との間に光線の光路制御機構を有する三次元画像表示装置であって、三次元画像情報を含んだ光線の光路上の結像面近傍に複数の三次元画像を含んだ光線を二次元面に投影する手段として拡散型体積ホログラムスクリーンを設け、観察者の網膜に直接到達する光線の他に、前記拡散型体積ホログラムスクリーンによって散乱された光線を観察者の網膜に到達させることを特徴とする三次元画像再生装置である。

本発明によると、空間分解能が向上し、画質が向上し、立体感を増すことが可能な三次元画像再生装置を実現することができる。

本願の第１の発明は、三次元画像情報の表示を二次元表示により行い、人間の網膜との間に光線の光路制御機構を有する三次元画像表示装置であって、三次元画像情報を含んだ光線の光路上の結像面近傍に複数の三次元画像を含んだ光線を二次元面に投影する手段として拡散型体積ホログラムスクリーンを設け、観察者の網膜に直接到達する光線の他に、前記拡散型体積ホログラムスクリーンによって散乱された光線を観察者の網膜に到達させることを特徴とする三次元画像再生装置である。

直接網膜に到達する光線の他に、拡散型体積ホログラムスクリーンによって散乱された光線を観察者の網膜に到達させることにより、観察者に新たな視差画像として認識されて空間分解能が向上するため、見かけの画像の画質が向上し、立体感が増幅する。

光線の光路制御機構として凸レンズアレイを用いることができ、またピンホールアレイを用いることもできる。

三次元画像情報の表示を２００ｄｐｉ以上の解像度を有する表示素子を用いて行うことが好ましい。これにより１つのレンズの再生要素画像１０は１０×１０ピクセルの画像で構成することができ、水平垂直方向の視差数がそれぞれ１０視野の滑らかな三次元立体画像を再生することが出来る。

この表示素子として、液晶パネル、プラズマディスプレイパネル、有機ＥＬパネルを用いることができる。

三次元画像情報を含んだ光線の光路上の結像面近傍に複数の三次元画像を含んだ光線を二次元面に投影する手段として体積ホログラムスクリーンを用いることにより、体積中に分布した屈折率の変動分布により光を回折するため、光が当たることによって鮮明な結像を形成することができる。

拡散型体積ホログラムスクリーンの材料としてフォトポリマーを用いることができ、また、感光性ゼラチンを用いることもできる。

以下、本発明の実施の形態について、図１から図５を用いて説明する。

図１に本発明の実施の形態に係る三次元画像再生装置の説明図を示す。この三次元画像再生装置において三次元画像情報の表示を行う方法として、インテグラルフォトグラフィ
方式を採用しており、水平垂直視差画像２を表示する表示素子３と水平垂直視差画像２の各視差画像を空間に結像させるため、凸レンズ４を平面状に集合させた凸レンズアレイ５が配備される。凸レンズ４の焦点付近の結像点６で結像した三次元画像情報は観察者の眼７に入射して、複数の水平垂直視差を含んだ三次元立体画像となる。

ここで、インテグラルフォトグラフィ方式を詳細に説明する。図２にインテグラルフォトグラフィ方式の説明図を示す。インテグラルフォトグラフィはＭ． Ｇ． Ｌｉｐｍａｎｎによって１９０８年に提案されたものであり、その原理は、ハエの目状の凸レンズアレイを用いて、ハエの目状の凸レンズアレイの焦点位置にフィルムを置きそのフィルムの表面にハエの目状の凸レンズ毎の画像を記録し、再生時には、フィルムに記録させたハエの目状の凸レンズ毎の画像を撮影時と同じハエの目状の凸レンズアレイを用いると立体画像が再生するというものである。

図２に示すように、再生要素画像８を表示するための表示素子９にハエの目状の凸レンズアレイ１０の凸レンズ１１毎に対応させて表示すると、再生要素画像８は凸レンズ１１を介して、元の画像表面の画素位置に対応する結像点１２に結像する。そのため、観察者から見ると、実際に結像点１２から光線１３が発生して、観察者の瞳１４に入射する事により、立体感の有る三次元再生画像１５が再生される。この立体感の有る三次元再生画像１５は実際に空間に結像点１２があるため、角度を変えてみても、眼の位置を動かしてみても、立体感の有る三次元再生画像１５を安定して見る事が出来る。

図１の三次元画像再生装置で用いる表示素子３としては、液晶パネルを採用している。本実施の形態では凸レンズ４の径が１．５ｍｍのものを使用し、水平垂直視差画像２を表示する表示素子３である液晶パネルは解像度が２００ｄｐｉのものを使用した。これにより１つのレンズの再生要素画像８は１０×１０ピクセルの画像で構成され、水平垂直方向の視差数がそれぞれ１０視野の滑らかな三次元立体画像を再生することが出来る。表示素子３である液晶パネルの解像度が２００ｄｐｉ以下になると自然な立体再生画像を得る事が難しくなる。データ処理時間とのトレードオフになるが出来るだけ自然な三次元立体画像を得るには２００〜７００ｄｐｉの解像度の再生要素画像８を１．５ｍｍ以下のレンズで再生することが有効である。再生要素画像８を表示する手段としては液晶パネルの他に、プラズマディスプレイパネル、有機ＥＬパネルを使用することが出来るのは勿論である。

凸レンズ４の結像点６付近に、複数の三次元画像を含んだ光線を二次元面に投影する手段として、拡散型体積ホログラムスクリーン１を設けた。図３により、本発明の実施の形態に係る拡散型体積ホログラムスクリーンの効果の説明図を詳しく述べる。図３に示すように、表示素子３の水平垂直視差画像２は、凸レンズアレイ５の中の対応する水平垂直視差画像２の直上にある凸レンズ４により凸レンズ４の焦点距離付近の結像点１８に結像するが、結像点１８の位置から直接、直線で観察者の眼７に入射する光線１６は各凸レンズ４に対応して１光線である為、解像度は凸レンズアレイ５の直径に依存して低下する。しかし、結像点１８付近で、直接、観察者の眼に入射しない光線１７を散乱するための拡散型体積ホログラムスクリーン１を設置する事により、直接眼に入射しない光線１７は散乱された光線群１９ａ、１９ｂになる。この光線群１９ａ、１９ｂの内、観察者の眼に入射した光線１９ａは観察者により新たな視差画像として認識され、これにより空間分解能が向上するため、見かけの画像の画質が向上し、立体感が増幅する。

直接目に入射しない光線１７を散乱させる拡散板の役割をもつものとしては、擦りガラス、プラスチックの表面を凸凹加工した拡散シート、プラスチックの表面にエンボスホログラム加工を施したホログラム拡散シートなどがあるが、これらの拡散板は材料の凸凹構造の表面により、光をランダムに散乱して結像するため像が全体に散乱光のノイズにより
ボケてしまう。しかし、拡散型体積ホログラムスクリーン１は体積中に分布した屈折率の変動分布により光を回折するため、普段は透明であるが光が当たると鮮明な結像を形成することができる。

本発明の拡散型体積ホログラムスクリーン１に用いるホログラム素子は、図４に示すごとき露光光学系２０により拡散体２１をフォトポリマーなどの感光部材２２に記録することにより作製されている。

この製造方法において、レーザー発振器２３（例えばＮｄ：ＹＡＧレーザー）より発せられたレーザー光２４（例えば波長５３２ｎｍ）はビームスプリッタ２５により二方向に分割される。一方の光は２枚の反射鏡２６を経てエキスパンダ２７により発散光となった後、感光部材２２に参照光２８として投射される。また、他方の光も２枚の反射鏡２９を経てエキスパンダ３０により発散光となった後、放物面鏡３１に導入される。放物面鏡３１で反射された光は拡散体２１を透過して拡散光となった後、感光部材２２に物体光３２として投射される。このようにして作製されたホログラム素子を用いた拡散型ホログラムスクリーンにより、直接網膜に到達しない光線を含めた光線を網膜に到達させることができ、高解像度、高画質高立体感を持った三次元立体画像を形成することができる。

以上の説明においては、光線の光路制御機構として凸レンズアレイを用いているが、これに限定されるものではなく、ピンホールアレイを用いることもできる。また、拡散型体積ホログラムスクリーンの材料として、フォトポリマーや感光性ゼラチンを用いることができる。

本発明に係る立体像再生装置は、映像技術分野、アミューズメント分野、エンターテインメント分野、インターネット分野、情報分野、マルチメディア分野、コミュニケーション分野、広告・宣伝分野、医療分野、芸術分野、教育分野、設計支援分野、シミュレーション分野、バーチャルリアリティ、などで使われる三次元表示、立体像再生装置として利用することができる。

本発明の実施の形態に係る三次元画像再生装置の説明図 インテグラルフォトグラフィ方式の説明図 本発明の実施の形態に係る拡散型体積ホログラムスクリーンの効果の説明図 本発明の実施の形態に係る拡散型体積ホログラムスクリーンの形成方法の説明図

符号の説明

１ 拡散型体積ホログラムスクリーン
２ 水平垂直視差画像
３ 表示素子
４ 凸レンズ
５ 凸レンズアレイ
６ 結像点
７ 観察者の眼
８ 再生要素画像
９ 表示素子
１０ ハエの目状の凸レンズアレイ
１１ 凸レンズ
１２ 結像点
１３ 光線
１４ 観察者の瞳
１５ 立体感の有る三次元再生画像
１６ 眼に入射する光線
１７ 直接眼に入射しない光線
１８ 結像点
１９ａ 散乱された光線群
１９ｂ 散乱された光線群
２０ 露光光学系
２１ 拡散体
２２ 感光部材
２３ レーザー発振器
２４ レーザー光
２５ ビームスプリッタ
２６ 反射鏡
２７ エキスパンダ
２８ 参照光
２９ 反射鏡
３０ エキスパンダ
３１ 放物面鏡
３２ 物体光

Claims (9)

1. 三次元画像情報の表示を二次元表示により行い、人間の網膜との間に光線の光路制御機構を有する三次元画像表示装置であって、三次元画像情報を含んだ光線の光路上の結像面近傍に複数の三次元画像を含んだ光線を二次元面に投影する手段として拡散型体積ホログラムスクリーンを設け、観察者の網膜に直接到達する光線の他に、前記拡散型体積ホログラムスクリーンによって散乱された光線を観察者の網膜に到達させることを特徴とする三次元画像再生装置。
2. 前記三次元画像情報の表示を２００ｄｐｉ以上の解像度を有する表示装置を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像再生装置。
3. 前記表示素子は液晶パネルであることを特徴とする請求項２に記載の三次元画像再生装置。
4. 前記表示素子はプラズマディスプレイパネルであることを特徴とする請求項２に記載の三次元画像再生装置。
5. 前記表示素子は有機ＥＬパネルであることを特徴とする請求項２に記載の三次元画像再生装置。
6. 前記光線の光路制御機構として凸レンズアレイを用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像再生装置。
7. 前記光線の光路制御機構としてピンホールアレイを用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像再生装置。
8. 前記拡散型体積ホログラムスクリーンの材料がフォトポリマーであることを特徴とする請求項１に記載の三次元画像再生装置。
9. 前記拡散型体積ホログラムスクリーンの材料が感光性ゼラチンであることを特徴とする請求項１に記載の三次元画像再生装置。

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