JPH07120701A

JPH07120701A - 三次元画像表示装置

Info

Publication number: JPH07120701A
Application number: JP5267038A
Authority: JP
Inventors: Akifumi Ogiwara; 昭文荻原; Yukio Tanaka; 幸生田中; Koji Akiyama; 浩二秋山; Kuni Ogawa; 久仁小川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-10-26
Filing date: 1993-10-26
Publication date: 1995-05-12
Anticipated expiration: 2015-08-21
Also published as: JP3077930B2

Abstract

(57)【要約】【目的】眼鏡を用いることなく、被写体や被写体を照
らす光源に制約を持たず、かつ広い視野角で自然な立体
像を観察することのできる三次元画像表示装置を得る。【構成】複数の一次元表示装置１０１〜１０４を用い
て、三次元の対象物を複数の異なる方向から撮像した複
数の画像の各列成分に対応する一次元のパターンを順次
時分割して表示し、時分割表示された一次元のパターン
を鏡または音響光学素子などの画像偏向装置１０５によ
り各表示パターンに対応した複数の方向に偏向し、撮像
時の方向に対応した複数の方向に偏向して画像を表示す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、立体画像を映し出す三
次元画像表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、立体画像を映し出す三次元画
像表示装置として、２色または互いに直交する偏向特性
を持つ眼鏡を用いるものが知られている。この方式は、
眼鏡の左右眼部の光学的特性の違いを利用し、観察者の
左右の目にそれぞれ別々の画像を認識させ、「両眼視
差」と呼ばれる人間の生理的機能により立体感を感じさ
せるものである。一方、両眼の水平方向の間隔による結
像位置のずれを利用し、レンティキュラレンズシートを
用いて左右の目に別々の画像を見せることにより立体視
を行う、眼鏡等を必要としない方式も提案されている。
さらに、レーザ光を用いて物体の反射光と参照光との干
渉縞を記録し、この干渉縞からの回折によって三次元波
面を再生するホログラフィ技術を用いた立体表示の方式
も実用化されている。ホログラフィ方式によれば、元の
物体と全く同様の立体画像を再生することが可能であ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、眼鏡等を使用
して立体視を行う場合、特別な眼鏡を使用しなければな
らないという煩わしさがある。また、レンティキュラレ
ンズシートを用いた方式では眼鏡を用いなくともよい
が、立体画像を見ることができる視野角は、レンティキ
ュラレンズのピッチで制限される。このピッチを小さく
することにより、視野角を広げることは原理的に可能で
ある。しかし、実際のところ、レンティキュラレンズシ
ートと画像表示面との位置合わせが困難であり、また画
像表示部分の分解能が制限されるため、得られる視野角
は５度程度にすぎない。さらに、レンティキュラレンズ
シートを通して観察する場合、観察者の位置によって右
目と左目にそれぞれにはいる画像が逆転する領域が存在
し、この領域では物体の凹凸が逆になる不自然な逆視野
を認識してしまうという問題がある。さらに、ホログラ
フィ方式では、記録時にレーザ光のようなコヒーレント
な光源を必要とすること、および現像を必要とする乾板
を用いなければならないため、実時間での記録再生が難
しい問題がある。さらに、この方式は低反射率のものの
記録が困難であり、記録できる被写体が限られる欠点も
ある。本発明は以上のような問題点を解決するためにな
されたものであり、被写体や被写体を照明する光源に制
約がなく、眼鏡を用いることなく、かつ広い視野角で自
然な立体画像を観察することのできる三次元画像表示装
置を提供することを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る３次元画像表示装置は、複数の一次元
表示装置と、前記各一次元表示装置からの表示パターン
をそれぞれ複数の方向に偏向する偏向手段とを具備する
ように構成されている。上記構成において、偏向手段は
鏡であることが好ましい。または、上記構成において、
偏向手段は音響光学素子であることが好ましい。また、
複数の一次元表示装置は被表示対象物の観察される方向
に対応するように配置されていることが好ましい。ま
た、複数の一次元表示装置を二次元的に配置することが
好ましい。また、一次元表示装置は複数の発光ダイオー
ドを組み合わせたものであることが好ましい。

【０００５】

【作用】本発明における三次元画像表示装置の原理を図
１を用いて説明する。図１において、一次元画像表示装
置１０１〜１０４として、例えば複数のＬＥＤを縦に組
み合わせたものを用い、一次元表示装置１０１〜１０４
を水平方向に配置する。観察者１０６は、画像偏向装置
（偏向手段）１０５を通して一次元表示装置１０１〜１
０４を見るものとする。画像偏向装置１０５は、一次元
表示装置１０１〜１０４に表示されたパターンを任意の
方向に偏向する機能を有する。今、一次元表示装置１０
１に二次元画像の各列に相当する部分の一次元パターン
を順次時分割して表示し、画像偏向装置１０５によって
各発光パターンに同期して水平方向に偏向して表示す
る。このとき観察者１０６には、目の残像現象により、
鉛直方向の一次元パターンが水平方向に拡張された二次
元パターンとしての出力像１が観察される。出力像１が
観察される方向は、一次元表示装置１０１と画像偏向装
置１０５との位置関係によって決定される。すなわち、
一次元表示装置１０１と画像偏向装置１０５の中心位置
とを結ぶ線分を延長した方向に出力像１が表示される。
二次元画像としては、実際の三次元物体をビデオカメラ
により異なる角度方向から撮像した画像や計算機を用い
て作製した架空物体について異なる方向から観察した場
合の画像などを利用することができる。同様に、他の一
次元表示装置１０２〜１０４についても、三次元の被表
示対象物を異なる角度方向から撮像した二次元画像を、
各列ごとに時分割して表示を行い、画像偏向装置１０５
を通して偏向することにより、出力像２〜出力像４とし
て表示する。一次元表示装置１０１〜１０４は、画像偏
向装置１０５に対して、それぞれの一次元表示装置１０
１〜１０４に表示される画像が撮像された方向に対応す
るように配置される。

【０００６】撮像時の方向に合わせて表示された出力像
１〜４に関して、例えば、観察者１０６が図１に示すよ
うに画像偏向装置１０５に対してほぼ中央に位置する場
合、観察者１０６は右目で出力像３を左目で出力像２を
それぞれ観察することになる。これらの出力像２及び３
は、残像効果により同時に認識され、両眼視差の作用に
より、観察者１０６は立体像を知覚する。一方、観察者
１０６が観察位置を左側に移動した場合、今度は右目で
出力像２を左目で出力像１をそれぞれ観察することにな
る。また、観察者１０６が右側に移動した場合、左目で
出力像３を右目で出力像４をそれぞれ観察することにな
る。すなわち、観察位置の移動に対応して複数の情報が
表示されるので、運動視差の効果が生じ、観察者１０６
は、より自然な空間知覚を感ずる。

【０００７】図１に示すように、複数の画像をそれぞれ
異なった方向に偏向して表示することは、空間的な表示
領域を拡大することになり、画枠が観察者１０６の中心
視に入ることが少なくなる。その結果、観察者１０６
は、表示面までの距離や位置を感じにくくなる。また、
空間スクリーン的な効果が生じ、表示されているのが二
次元画像であるとの意識がより弱められ、表示空間に奥
行き方向の広がりを感じることができるようになる。さ
らに、一次元表示装置１０１〜１０４の数を増やし、順
次時分割表示する画像の数を増すと共に、画像の偏向方
向も細分化することにより、これらの効果をより高める
ことができる。すなわち、多角形の辺の数を増していく
と、多角形が次第に滑らかな円に近づいて見えるよう
に、表示される画像の数を増やすにつれ、観察者１０６
が観察する像は不連続な個々の平面画像ではなく、いく
つかの画像が連続的に結合されて作り出される滑らかな
曲面を持った、より自然な立体像となる。これはホログ
ラフィ再生時の三次元の波面再生と同様の効果である。

【０００８】以上のように、本発明の三次元画像表示装
置は、立体視の要因としての両眼視差、運動視差、空間
スクリーン効果、三次元的波面再生効果の４つの要因を
同時に満たしているので、これらのうちの１つの立体視
の要因にのみ頼っていた従来の眼鏡方式やレンティキュ
ラレンズシート方式に比べて、実在するものを観察して
いるような、より自然な三次元画像が知覚認識される。
また、一次元の表示装置のみを使用してシステムを構成
しているため、装置の構成が簡単かつ小型になり、製造
コストも低減される。

【０００９】

【実施例】

＜第１の実施例＞本発明の三次元画像表示装置の第１の
実施例について、図１及び図２を参照しつつ説明する。
図１において、一次元表示装置１０１〜１０４は、それ
ぞれ複数の異なる方向から得られた二次元画像の各列成
分に対応する一次元パターンを時分割表示するためのも
のであり、例えば、複数の発光ダイオードを組み合わせ
たもの、陰極線管、エレクトロルミネサンス、液晶表示
素子（ツイストネマティック液晶、強誘電性液晶、反強
誘電性液晶、動的散乱モード液晶など）などが使用する
ことができる。画像偏向装置１０５は、一次元表示装置
１０１〜１０４により表示された各表示パターンを複数
の方向に偏向する機能を有する。一次元表示装置１０１
〜１０４により表示される二次元画像としては、実際の
三次元物体をビデオカメラにより異なる角度方向から撮
像した画像や計算機を用いて作製した架空物体について
異なる方向から観察した場合の画像などを利用すること
ができる。図１では、水平方向に４台の一次元表示装置
１０１〜１０４を配置しているが、２台以上であれば何
台の一次元表示装置を用いてもよい。

【００１０】画像偏向装置１０５として音響光学素子を
用い、音響光学素子の屈折率変化により、一次元画像表
示装置１０１〜１０４により表示された表示パターンを
偏向する。一般に、透過媒体の屈折率変化を起こす方法
としては、電気信号の入力によって屈折率変化を引き起
こす電気光学効果、音波を入力とする音響光学効果、ま
たは光の照射によって屈折率変化を引き起こす光学的効
果などを利用することができる。これらの方式は、第２
の実施例として示した鏡を用いた方式と比較して機械的
可動部分を持たないため、信頼性が向上すると共に軽量
でコンパクトなシステムを実現することができる。音響
光学素子の詳細を図２に示す。画像偏向装置１０５は、
超音波信号を伝達するトランスデューサ２０１、屈折率
分布を生じる超音波媒体２０２及び超音波吸収体２０３
等で構成されている。一般に、トランスデューサ２０
１、超音波媒体２０２、超音波吸収体２０３までを総称
して音響光学素子と呼ぶ。トランスデューサ２０１を用
いて、超音波媒体２０２に超音波信号を印加すると、そ
れに対応した屈折率変化が超音波媒体２０２内部に生
じ、位相回折格子と同様の機能を奏する。図２に示すよ
うに、超音波媒体２０２にノコギリ波状の超音波信号を
印加すると、印加された信号に応じて屈折率分布が生じ
る。入射光である一次元表示装置１０１からのパターン
は、ノコギリ波状の屈折率分布に応じて所定の角度方向
へ偏向される。ノコギリ波のピッチを小さくすればする
ほど、すなわち、周波数を大きくすればするほど偏向角
θは大きくなるため、トランスデューサ２０１に印加す
る超音波信号の周波数を大きくすることにより、偏向角
θを大きくとることができる。逆に、超音波信号の周波
数を小さくすればするほど偏向角θは減少する。このよ
うにトランスデューサ２０１に印加する超音波信号の周
波数を変化することにより、ノコギリ波のピッチを制御
することができ、偏向方向を任意に定めることが可能で
ある。超音波媒体２０２に屈折率差が大きい材料を用い
ると、超音波媒体２０２の厚みを小さくすることがで
き、軽量化が可能になる。このため、屈折率差が大きく
生じる材料の使用が望ましい。例えば、重フリントガラ
ス、溶融石英、ＴｅＯ₂、ＬｉＮｂＯ₃、Ｐｂ₂ＭｏＯ₅、
などを使用することができる。また、これらの材料は数
十ＭＨｚ程度までの高速応答が可能であり、光透過率も
９０パーセント以上の値を実現できるので、音響光学素
子の材料として有用である。トランスデューサ２０１と
しては、例えばＬｉＮｂＯ₃が使用でき、数百ＭＨＺま
での駆動が可能である。また超音波吸収体２０３として
は、例えば重フリントガラス、溶融石英、ＴｅＯ₂、Ｐ
ｂ₂ＭｏＯ₅等の使用が望ましい。

【００１１】図１に示す第１の実施例では、一次元画像
表示装置１０１〜１０４として２００個の発光ダイオー
ドを組み合わせたものを用いた。また、画像偏向装置１
０５として用いられる音響光学素子は、重フリントガラ
スを用いて厚さ（５０μｍ〜２００μｍ）の範囲で５〜
１０インチの大きさに作製した。図示していないが、音
響光学素子にはＬｉＮｂＯ₃のトランスデューサ及び溶
融石英の超音波吸収体が設けられている。一次元表示装
置１０１〜１０４を、それぞれ画像偏向装置１０５の中
心位置からの距離が等しくなるように、画像偏向装置１
０５より５ｃｍ〜３０ｃｍの範囲内に円弧状に配置し
た。また、一次元表示装置１０１〜１０４の出力像の大
きさを調節するため、画像偏向装置１０５と一次元表示
装置１０１〜１０４との間に焦点距離５０ｍｍ〜２００
ｍｍ、直径１００ｍｍ〜３００ｍｍのレンズを配置し
た。

【００１２】一次元表示装置１０１〜１０４には、三次
元の対象物を異なる角度方向から撮像した二次元画像の
各列成分に対応するパターンを、１５０μｓ毎にそれぞ
れ２００パターン表示した。画像偏向装置１０５を構成
する音響光学素子には、ノコギリ波状の０〜２０Ｖ範囲
の超音波信号を印加し、この周波数を１／３０秒間に５
０ＭＨＺ〜１００ＭＨＺの範囲で変化させることによっ
て、一次元表示装置１０１〜１０４に表示されたパター
ンをそれぞれのパターンの対応する方向に偏向して表示
した。この結果、立体視可能な位置範囲としては、画像
偏向装置１０５の後方１０ｃｍ〜２ｍ、水平方向は、奥
行き２ｍの位置において最大で±５０ｃｍであった。ま
た、この範囲内で観察者１０６が観察位置を左右に動か
すと、物体の側面を観察することができ、運動視差の効
果を確認することができた。

【００１３】＜第２の実施例＞本発明の三次元画像表示
装置の第２の実施例について、図３を参照しつつ説明す
る。図２に示す第２の実施例は、機械的方式によりパタ
ーンを偏向する画像偏向装置１０５を備えた例である。
画像偏向装置１０５は可動ミラー３０１を有し、この可
動ミラー３０１を振動させることにより、一次元表示装
置１０１〜１０４により時分割表示された一次元の発光
パターンを、各発光パターンに対応して水平方向に偏向
して表示する。一次元表示装置１０１〜１０４と可動ミ
ラー３０１との位置関係に対応して出力像１〜出力像４
が、それぞれの画像が撮像された方向に表示される。観
察者１０６は、これらの複数の出力像１〜出力像４を同
時に知覚する。可動ミラー３０１として、電気的または
機械的に可動なガルバノミラーを使用することができ
る。

【００１４】図２に示す第２の実施例では、第１の実施
例と同様に、一次元画像表示装置１０１〜１０４として
２００個の発光ダイオードを組み合わせたものを用い
た。また、画像偏向装置１０５として対角１０インチの
ガルバノミラーから成る可動ミラー３０１を使用した。
一次元表示装置１０１〜１０４は、可動ミラー３０１の
中心位置からの距離がそれぞれ等しくなるように、可動
ミラー３０１より５ｃｍ〜３０ｃｍの範囲に円弧状に配
置した。また、一次元表示装置１０１〜１０４の出力像
の大きさを調節するため、可動ミラー３０１と一次元表
示装置１０１〜１０４との間に焦点距離５０ｍｍ〜２０
０ｍｍ、直径１００ｍｍ〜３００ｍｍのレンズを配置し
た。

【００１５】一次元表示装置１０１〜１０４には、三次
元の対象物を異なる角度方向から撮像した二次元画像の
各列成分に対応するパターンを、１５０μｓ毎にそれぞ
れ２００パターン表示した。可動ミラー３０１は、周波
数３０ＨＺ、０〜１０Ｖ範囲の振幅を持つノコギリ波状
の信号電圧による変調を行い、この周期時間内の信号電
圧の振幅に応じて可動ミラー３０１の反射位置を設定し
た。従って、１／３０秒間に、一次元表示装置１０１〜
１０４により順次時分割表示された２００のパターン
は、可動ミラー３０１の振動により水平方向に偏向さ
れ、２００×２００の分解能を持つ二次元画像として出
力された。観察者１０６がこれらの出力像を観察したと
ころ、画像のちらつきを感じず自然な立体像を知覚でき
た。また、観察者１０６が立体視可能な範囲としては、
奥行き方向では可動ミラー３０１の正面中心位置より後
方１０ｃｍ〜２ｍの範囲であり、水平方向では奥行き２
ｍの位置において最大で±５０ｃｍの範囲であることが
判明した。この範囲内では観察位置を左右に変化すると
立体の側面を観察することができ、空間的に奥行きを持
って広がった自然な三次元画像を観察することができ
た。

【００１６】＜第３の実施例＞本発明の三次元画像表示
装置の第３の実施例について、図４を参照しつつ説明す
る。図１に示す第１の実施例では、水平方向にのみ一次
元表示装置１０１〜１０４を配置しているため、鉛直方
向における立体視の機能は有していない。図４に示す第
３の実施例では、水平方向だけでなく鉛直方向を含めた
より自然な三次元画像を提供するため、一次元表示装置
４０１〜４０８を二次元に配置している。図４では、８
台の一次元表示装置を２×４のアレイ状に配置している
が、台数をさらに増やして５×３、４×８、１０×１０
のように任意に配列してもよい。このように一次元表示
装置４０１〜４０８を二次元的に配置している場合、そ
れぞれの表示装置と画像偏向装置１０５との位置に対応
した水平、鉛直の両方向に画像が出力される。すなわ
ち、一次元表示装置４０１による画像は出力像１に対応
し、以下一次元表示装置４０２〜４０８による画像は、
それぞれ出力像２〜出力像８に対応する。従って、観察
者１０６が水平、鉛直の任意の位置に移動した場合で
も、その動きに応じて左右、上下の方向の立体像を知覚
することができ、観察位置によらない完全な立体視が可
能になる。

【００１７】図４に示す第３の実施例では、第１の実施
例と同様に、一次元表示装置４０１〜４０８として２０
０個の発光ダイオードを組み合わせたものを用いた。ま
た、画像偏向装置１０５として音響光学素子を使用し
た。音響光学素子は、重フリントガラスを用いて厚さ
（５０μｍ〜２００μｍ）の範囲で５〜１０インチの大
きさに作製した。また、図示していないが、音響光学素
子にはＬｉＮｂＯ₃のトランスデューサ及び溶融石英の
超音波吸収体が設けられている。表示パターンを水平方
向だけでなく鉛直方向にも偏向して表示するため、一次
元表示装置４０１〜４０８を、画像偏向装置１０５の中
心位置からの距離がそれぞれ等しくなるように、画像偏
向装置１０５より５ｃｍ〜３０ｃｍの範囲内に２×４の
二次元的に配置した。また、一次元表示装置４０１〜４
０８の出力像の大きさを調節するため、画像偏向装置１
０５と一次元表示装置４０１〜４０８との間に焦点距離
５０ｍｍ〜２００ｍｍ、直径１００ｍｍ〜３００ｍｍの
レンズを配置した。

【００１８】一次元表示装置４０１〜４０８には、三次
元の対象物を異なる角度方向から撮像した二次元画像の
各列成分に対応するパターンを１５０μｓ毎にそれぞれ
２００パターン表示した。画像偏向装置１０５を構成す
る音響光学素子には、ノコギリ波状の０〜２０Ｖ範囲の
超音波信号を印加し、この周波数を１／３０秒間に５０
ＭＨＺ〜１００ＭＨＺの範囲で変化させることにより、
一次元表示装置４０１〜４０８に表示されたパターンを
それぞれのパターンの対応する方向に偏向して表示し
た。この結果、立体視の可能範囲としては、奥行き方向
で、画像偏向装置１０５の正面より１０ｃｍ〜２ｍ、水
平方向は、奥行き２ｍの位置において最大で±５０ｃ
ｍ、鉛直方向で±２５ｃｍであった。また、観察者１０
６が水平及び垂直の任意の位置に移動した場合、観察位
置の変化にともなって異なった方向の立体像が観察でき
観察位置によらない立体視を行うことができた。

【００１９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、複数の
一次元表示装置により順次時分割表示された表示パター
ンを画像偏向装置により各表示パターンに対応した方向
に偏向して出力像を表示するように構成したので、観察
者には、複数の出力像が目の残像効果により同時に認識
され、両眼視差の作用により立体像として知覚すること
ができる。また、観察位置の移動に対応して複数の情報
が表示されるように構成したので、運動視差の効果が生
じ、観察者は、より自然な空間知覚を感ずることができ
る。さらに、複数の画像をそれぞれ異なった方向に偏向
して表示するので、空間的な表示領域が拡大され、観察
者は表示面までの距離や位置を感じにくくなり、空間ス
クリーン的な効果が生じ、表示空間に奥行き方向の広が
りを感じることができる。さらに、立体視の要因として
の両願視差、運動視差、空間スクリーン効果、三次元的
波面再生効果の４つの要因を同時に満たしているので、
これらのうちの１つの立体視の要因にのみ頼っていた従
来の眼鏡方式やレンティキュラレンズシート方式に比べ
て、実在するものを観察しているような、より自然な三
次元画像を知覚認識することができる。さらに、一次元
の表示装置のみを使用してシステムを構成しているた
め、装置の構成を簡単かつ小型にすることができ、製造
コストを低減することもできる。さらに、従来例と異な
り、眼鏡を用いることなく、被写体や被写体を照らす光
源に制約を持たず、かつ広い視野角で自然な立体像を観
察することのできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の三次元画像表示装置の第１の実施例の
構成を示す斜視図

【図２】第１の実施例で用いた音響光学素子の詳細な構
成を示す図

【図３】本発明の三次元画像表示装置の第２の実施例の
構成を示す斜視図

【図４】本発明の三次元画像表示装置の第３の実施例の
構成を示す斜視図

【符号の説明】

１０１〜１０４：一次元表示装置、１０５：画像偏向装置、１０６：観察者、２０１：トランスデューサ、２０２：超音波媒体、２０３：超音波吸収体、３０１：可動ミラー、４０１〜４０８：一次元表示装置。

フロントページの続き (72)発明者小川久仁大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の一次元表示装置と、前記各一次元
表示装置からの表示パターンをそれぞれ複数の方向に偏
向する偏向手段とを具備する三次元画像表示装置。
【請求項２】偏向手段は鏡である請求項１に記載の三
次元画像表示装置。
【請求項３】偏向手段は音響光学素子である請求項１
に記載の三次元画像表示装置。
【請求項４】複数の一次元表示装置は被表示対象物の
観察される方向に対応するように配置された請求項１に
記載の三次元画像表示装置。
【請求項５】複数の一次元表示装置を二次元的に配置
した請求項４に記載の三次元画像表示装置。
【請求項６】。一次元表示装置は複数の発光ダイオード
を組み合わせたものである請求項４に記載の三次元画像
表示装置。