JPH07159963A - 三次元画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学素子が二次元的に配列されたインテグラ
ルプレートを利用する画像表示装置に関し、表示する仮
想物体からの近似散乱光を形成することによって広い視
野領域で三次元像を観測できる三次元画像表示装置を提
供する。 【構成】 インテグラルプレートを構成する個々のレン
ズ位置から表示する仮想物体の観測像を計算し、これら
を一画面上に多数配列した二次元画像を画像表示板に表
示する。これを通過した平行光線束をインテグラルプレ
ートに投影すると、仮想物体からの散乱球面波をインテ
グラルプレートのレンズピッチでサンプリングした近似
的な散乱光線群に変換される。これらの光線群を観測し
たとき、観測者はあたかも仮想物体からの散乱光である
かのように感じるため三次元像として認識することがで
きる。また、これらの光線群は互いに重ならず隣接した
状態で空間中を伝播するので、広い視野領域において正
常な三次元像を観測できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、観測者が自然に三次元
認識できる立体像を映し出す三次元画像表示装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に空間に存在する三次元物体に光を
照射すると、物体を構成する各々の点からは表面状態に
応じた散乱光が発生し、球面波として空間中を伝播す
る。このような球面波は物体形状によって遮蔽された
り、反射、高次散乱をする場合があるが、散乱光が発生
した物体上の点と観測点とが光学的に結ばれたときには
観測位置からその点を観測することができる。このとき
観測者は、光波の保持している輝度、色情報に加えて、
方向情報（すなわちどの方向から光が伝播してきたか）
も認識することができ、これらの情報より物体を構成す
る各々の点から伝播した球面波群の空間分布を把握する
ことによって物体を三次元像として知覚することができ
る。すなわち、二次元スクリーンを用いて仮想物体を三
次元的に表示するためには、スクリーンから物体を見込
んだ領域内で、物体を構成している各点からの球面波群
を作り出せば良い。このような方法にはホログラフィー
やインテグラル方式がある。前者の方法では仮想物体か
らの球面波を非常に精密に形成することができ、完全な
三次元画像表示が可能である。しかし、画像表示板が波
長オーダーの空間分解能を有する必要があり、表示する
ための情報量も非常に膨大であるため、表示媒体や伝送
情報量を考慮すると動画像立体表示はかなり困難であ
る。一方後者の方法は、三次元物体に対して異なる視点
位置から得られる画像情報を平面上に複数配列すること
によって立体像を得る方法であり、容易に動画立体像を
得ることができる。

【０００３】インテグラル方式は複数の凸レンズやピン
ホールを二次元的に配列したインテグラルプレート（Ｉ
Ｐ）と呼ばれる光学板を利用する。この方法では、表示
するべき物体を個々の光学素子位置から観測したときに
得られる微小画像を二次元的に配列して表示し、これを
ＩＰを通して観測することにより観測者は立体像として
認識することができる。（例えば、”三次元ディスプレ
イ”、産業図書、P.125-126 等参照）従来のレンズＩＰ
（レンズアレイとも呼ぶ）方式では、図８に示すように
画像表示板位置での発光あるいは拡散光を凸レンズで集
光するため、ホログラフィーの様に散乱球面波を形成す
ることができる。しかし、一旦表示板とＩＰ間の距離を
決めると物体画像はＩＰを構成するレンズの焦点面での
み観測されることになる。この画像は物体の視差情報を
持った二次元画像にすぎないので、観測者は目の焦点と
輻輳角を独立に調節することが必要となり不自然な立体
像として認識される。また、レンズ光軸に対する角度が
大きくなるにつれて収差の影響が著しくなるため、ＩＰ
を構成するレンズの加工精度やレンズの焦点に対する表
示板の位置合わせに精密さが要求されるという問題もあ
る。一方、ピンホールＩＰを用いた方法では球面波その
ものではなく、ピンホール間隔でこれを空間的にサンプ
リングした光線群を形成することによって自然な三次元
画像を近似的に表示することができる。この方式ではＩ
Ｐ加工が容易になり、複雑な光学設計及び位置合わせ等
も不要になるという特徴があるが、ピンホールの性質か
ら輝度が著しく低下するという問題もある。さらに、図
９に示すように画像の精細度を向上するためにはピンホ
ールの間隔を小さくする必要があるが、逆に視野角を広
くするためには一画像のサイズを大きくしなければなら
ない。すなわち精細度と視野角との間にはトレードオフ
の関係があり、両者を同時に満足するような高精細、広
視野領域を有する三次元画像表示方式は実現されていな
い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述したよ
うな課題を解決し、インテグラルプレートを用いた三次
元画像表示装置において、自然な三次元画像を高輝度、
広視野で観測することができる表示装置を提供するもの
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の関わる三次元画
像表示装置は、異なった多数位置から三次元物体を見込
んだ二次元画像を同時に表示している画像表示板に指向
性を有する光線束を入射し、インテグラルプレートに投
射することによって近似的に表示物体の散乱光線群を形
成することを特徴としている。

【０００６】

【作用】本発明の実現は以下の要領で行われる。図２に
一組の凹レンズＩＰ及び透過型表示板に指向性を有した
光線束を入射する形式の三次元画像表示装置の構成を示
し、図３にその三次元画像表示装置の詳細な構成を示
す。本発明における指向性を有する光線束とは、平行光
線、または幾何光学的に一点に集束あるいは一点から発
散された光線束を示し、それらのうち平行光線束を用い
た場合の基本構成を図２に示している。本装置は、ＩＰ
の個々のレンズにはそれと同一サイズの微小な画像が平
行光線束によって対応づけられており、透過型表示板の
一画像は従来のインテグラル方式と同様に異なるレンズ
位置から眺めた表示物体の微小画像を表示している。こ
の表示板は例えば液晶パネルのように表示画像の変化を
時間経過にともなって表示することができるので、動画
像表示が可能になる。光源から発生した平行光線束を表
示板に透過させ表示した画像情報をＩＰに投射すると、
ＩＰを構成する個々のレンズでは微小画像を構成する一
画素（微小画像は多数の画素により構成される。）に対
応する各光線が、通過するレンズ部分に応じて異なった
方向に屈折される。これらの光線群は仮想表示物体から
の散乱光線を近似的に表しているので、ピンホール方式
と同様に奥行き情報も含んだ自然な三次元画像を表示す
ることができる。すなわち、ＩＰを構成するレンズは集
光作用ではなく、一様な方向性を持った光線束を多方向
に分割する作用を引き起こすところが従来のレンズＩＰ
方式とは原理的に異なった点である。

【０００７】図２ではＩＰに０. ５〜１ｍｍ程度のサイ
ズの凹レンズを配列したものを用いているが、この場合
仮想物体から発生する球面波は凹レンズの間隔でサンプ
リングされることになるので、透過表示板の画素が十分
細かいときにはＩＰを構成する光学素子のサイズによっ
て三次元像の空間分解能が決定される。一方、視野角は
透過画像表示板の画素が十分細かいときにはレンズの焦
点距離のみに依存するため、レンズ間隔とは無関係に視
野角を設計することができる。

【０００８】よって、本装置における表示板の画素が十
分精細であれば、得られる像の分解能はＩＰレンズのサ
イズ、横方向の視野領域はレンズの焦点距離のみで決定
され、それぞれ独立な設計が可能になる。また、ＩＰは
指向性を有する光線束の方向を変換する作用だけを引き
起こすので光量損が少なく高輝度な表示が実現できる。
特に、ＩＰに入射する光線束が平行である場合には表示
板とＩＰとの距離調節の必要がなく光学的な位置合わせ
が容易になるという特徴もある。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の詳細を実施例に基づいて図を
参照しながら説明する。 （実施例１）本実施例は、ＣＡＤ等コンピュータが持っ
ている物体の三次元形状情報を実画像として表示する用
途などに用いられる。図１に本実施例の構成図を示す。

【００１０】まず、表示したい仮想物体をＩＰの各画素
位置から観測したときの二次元画像をコンピュータを用
いて計算する。このときの各画素に対応する微小画像を
駆動装置を介して透過型液晶パネルに表示する。一方、
光源から放射された光は凸レンズを通って平行光線束に
変換された後、液晶パネルに入射される。この二次元画
像情報は平行光線束によってＩＰに投影され、仮想三次
元物体からの散乱光をサンプリングしたような発散光線
束に分割されるので三次元像を表示することができる。
このとき、液晶パネルに伝送する画像計算をリアルタイ
ムで行うかあるいは、一定時間内の画像情報をバッファ
に蓄えることで動画像表示が可能になる。

【００１１】（実施例２）本実施例では、図４に示すよ
うに画像表示板に高精細フィルム、ＩＰの光学素子に凹
面反射鏡を用いることにより大画面化を実現することを
特徴としている。

【００１２】あらかじめコンピュータで計算した微小画
像、あるいはピンホール写真技術を用いて実物を撮影し
た画像等を一画面中に配列したフィルムを透過表示板と
して用意しておく。このフィルムは映画のように一定速
度で順送りされる。この速度に同期して点滅する高輝度
光源から放射した光を、レンズでアイリス位置に集光し
て発散光線束を得る。この光線束はフィルムを通り、そ
の画像をＩＰに投影する。このＩＰは凹面（凸面でも同
様）反射鏡で構成されており、投影側に表示物体からの
仮想散乱光線を形成するので観測者は三次元画像を認識
することができる。

【００１３】（実施例３）本実施例では図５のように凹
面鏡を用いて集束光線を作製し、透過表示板を透過した
後ＩＰに入射させる。このような縮小投影を用いると精
細度が増すので、医療用、ＣＡＤ用高精細ディスプレイ
として利用される。なお、投影に用いる光線束が平行で
ないときにはＩＰの緻密な光学設計及び加工が必要であ
るが、画像の拡大、縮小が可能になるという特徴があ
る。

【００１４】（実施例４）本装置の構成では、並列にＲ
ＧＢ画素を設けた形式の液晶パネルに白色光線束を照射
しても正常なカラー像を得ることはできない。これは、
光線束がＩＰを通過した後、各色の光線束が重なること
なく別々の方向に放射されるためである。そこで本実施
例では、ＲＧＢの光線束を各色専用の液晶パネルに入射
した後、光線束混合を行いＩＰを通過させる手法によっ
てカラー三次元像を実現することができた。

【００１５】図６に本実施例の構成図を示す。まず赤色
光源から放射された光はレンズで平行光線束に変換さ
れ、物体の赤色に対する輝度分布を表示している液晶パ
ネルを通った後、ＩＰの方向へ伝播する。一方、青、緑
色光源から放射されたそれぞれの光は赤色光と同様にレ
ンズ、表示板を通った後、波長選択ミラーで反射され赤
色光線と同一光軸上で混合される。ＲＧＢが混合した光
線束は、ＩＰを通過することによって表示物体からの近
似散乱光線群に分割されるが、物体の同一点をあらわす
光線は色に関わらず一方向に放射される。従って、観測
者はカラー三次元像を観測することができる。本装置で
は三色の光源を用いることにより小型の光学系構成でカ
ラー化を実現した。

【００１６】また図７に示すように、三台の単色光源の
代わりに一台の白色光源から放射された光をダイクロイ
ックミラーでＲＧＢに分割し、各光線束に各色の画像情
報を保持させた後、再び光線束混合を行うことによって
カラー化を実現することもできる。このような構成では
図６の装置に比べて大型になるが、電力のロスを軽減す
ることができる。なお、本装置を構成する個々の要素の
組み合せや、本装置の用途が異なることがあっても本発
明内容に何ら変更を及ぼさないことは明らかである。

【００１７】

【発明の効果】本発明は上記の通りインテグラルプレー
トを用いた三次元画像表示装置において、表示板の各画
素に対応した光線群を用いて表示物体からの散乱光を近
似的に形成することにより、自然な三次元像を高輝度で
表示することができる。また、画像の精細度と視野角と
のトレードオフを解決することによって、観測領域を著
しく拡大することが可能となった。特に、ＩＰに入射す
る光線束が平行である場合には画像をコンピュータ合成
する際の計算法及び光学系の調整等が容易になるという
特徴もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関わる表示板に液晶パネルを用いたこ
とを特徴とした三次元画像表示装置の構成図。

【図２】本発明に関わる三次元画像表示装置の原理を示
す構成図。

【図３】本発明に関わる三次元画像表示装置の詳細な原
理を示す構成図。

【図４】本発明に関わる発散光線束を用いた大画面三次
元画像表示装置の構成図。

【図５】本発明に関わる集束光線束を用いた高精細三次
元画像表示装置の構成図。

【図６】本発明に関わる光線束混合機構を設けたカラー
三次元画像表示装置の構成図。

【図７】本発明に関わる白色光源を用いたカラー三次元
画像表示装置の構成図。

【図８】従来のレンズＩＰを用いた三次元画像表示装置
の構成図。

【図９】従来のピンホールＩＰを用いた三次元画像表示
装置の構成図。

【符号の説明】

１、１５、２２ 光源 ２、１６ 凸レンズ ３、２５ 液晶パネル ４、２６、４２、５６、５８ 凸レンズで構成された
インテグラルプレート ５、２７ 液晶パネルの駆動装置 ６ コンピュータ ７、８ 平行光線束 ９ 透過型画像表示板 １０ 凹レンズで構成されたインテグラルプレート １１ 個々の凹レンズ １２ 仮想表示物体 １３、２８ 仮想物体から放射された近似散乱光線群 １４ 微小画像 １７ アイリス １８ フィルム １９ 発散光線束 ２０ 凹面鏡で構成されたインテグラルプレート ２１ フィルムの駆動装置 ２３ 大凹面鏡 ２４ 集束光線束 ２７、４３ 白色光源 ２８ 緑色フィルター ２９ 赤色フィルター ３０ 青色フィルター ３１、４４ 凸レンズ ３２、５１ 緑色用液晶パネル ３３、５３ 赤色用液晶パネル ３４、５２ 青色用液晶パネル ３５、５４ 液晶パネルの駆動装置 ３６、４５ 緑色用ミラー ３７、４６ 青色用ミラー ３８、４８ 緑色平行光線束 ３９、４９ 赤色平行光線束 ４０、５０ 青色平行光線束 ４１、５５ ＲＧＢ平行光線束 ４７ 赤色用ミラー ５７ 発光型表示板 ５９ レンズの焦点面 ６０ 画像表示板 ６１ ピンホールインテグラルプレート ６２ 画像表示板を構成する一画像 ６３ ピンホール間隔

フロントページの続き (72)発明者 太田 泰光 神奈川県相模原市淵野辺５丁目10番１号 新日本製鐵株式会社エレクトロニクス研究 所内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体を多数の角度から観測した画像を二
   次元的に配列して表示する透過型画像表示板と、指向性
   を持った光線束を発生する光源と、該表示板の個々の画
   像に対応して光学素子が配列されたインテグラルプレー
   トとを備え、該光源から発生した光線束を表示板に照射
   し、該インテグラルプレートに投射することによって三
   次元像を構成することを特徴とした三次元画像表示装
   置。
2. 【請求項２】 前記光源が、指向性を有した赤、青、緑
   の単色光線束を発生する３つの光源であり、また、前記
   透過型画像表示板が、前記三色に対応する三枚の透過型
   画像表示板であり、さらに該表示板からの３つの光線束
   を合成する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記
   載の三次元画像表示装置。
3. 【請求項３】 前記光源が、指向性を有した白色光源
   と、該光源光を赤、青、緑の三色光線束に分割する手段
   とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画
   像表示装置。
4. 【請求項４】 前記透過型画像表示板は液晶表示パネル
   からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載
   の三次元画像表示装置。
5. 【請求項５】 前記透過型画像表示板はフィルムからな
   ることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の三次
   元画像表示装置。
6. 【請求項６】 前記インテグラルプレートを構成する個
   々の光学素子は凸レンズであることを特徴とする請求項
   １乃至請求項５に記載の三次元画像表示装置。
7. 【請求項７】 前記インテグラルプレートを構成する個
   々の光学素子は凹レンズであることを特徴とする請求項
   １乃至請求項５に記載の三次元画像表示装置。
8. 【請求項８】 前記インテグラルプレートを構成する個
   々の光学素子は凸面あるいは凹面の反射鏡であることを
   特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の三次元画像表
   示装置。
9. 【請求項９】 前記光源から発生した光線束は平行光線
   束であることを特徴とする請求項１乃至請求項８に記載
   の三次元画像表示装置。
10. 【請求項１０】 前記光源から発生した光線束は集束ま
    たは発散光線束であることを特徴とする請求項１乃至請
    求項８に記載の三次元画像表示装置。