JPH0798439A

JPH0798439A - ３次元立体表示装置

Info

Publication number: JPH0798439A
Application number: JP5242717A
Authority: JP
Inventors: Kenji Nakazawa; 憲二中沢; Takayuki Okimura; 隆幸沖村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1993-09-29
Filing date: 1993-09-29
Publication date: 1995-04-11

Abstract

(57)【要約】【目的】観察位置が連続的に可変できると共に、解像
度が高く、自然に観察できる３次元立体表示装置を提供
すること。【構成】平行光源１０１からの出射光を、光偏向素子
１０２により偏向させて凸レンズ１０３への入射角度を
変化させ、観察者１０５の左目又は右目に集光させる。
この際、凸レンズ１０３と観察者１０５との間に配置さ
れた光透過型表示装置１０４には、例えば光の方向が前
記観察者の左目の位置にあるときに左目用の画像を表示
し、光の方向が前記観察者の右目の位置にあるときに右
目用の画像を表示する。これにより、観察者は、光透過
型表示装置の時分割駆動によって３次元立体画像を観察
できる。また、光偏向素子１０２は、電気的に屈折率を
可変できる媒質中に反射構造を有する構成とし、さらに
観察者の頭の位置を検出する頭部検出器を設け、該検出
結果に基づいて光偏向素子１０２の偏向方向を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＴＶ放送、ＴＶ電話、
或いはゲーム機器等において、臨場感の高い画像の観察
が可能な３次元立体表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、３次元立体表示の技術の代表例と
しては、両眼視差を利用したものがある。これまでの立
体像の表示では、静止画から動画へ、白黒からカラーへ
の動向がある。特に、フルカラーの動画を表示する技術
として、立体映画の分野では偏光眼鏡を用いて光学的に
右画像と左画像を分離して立体表示する方法が、また、
テレビジョンの分野では、液晶シャッターを用いて時分
割に右画像と左画像を分離して立体表示する方法が既に
実用化されている。

【０００３】しかしながら、これらの動画立体表示技術
では眼鏡を必要としているため、眼鏡をかける煩わし
さ、眼鏡をかけることにより映像画面が暗くなる。ま
た、通信の分野に適用した場合には、対話者が不自然な
状態で会話しなければならない等の問題点がある。

【０００４】一方、眼鏡をかけない立体表示として、レ
ンティキュラレンズを用いる方式や、ホログラフィー、
バリフォーカルミラーを用いる方式がある。

【０００５】ホログラフィーを用いる方式は、写真技術
の進歩により、高精細、フルカラーの立体像の再現に成
功しているが、通信への適用を考えると、リアルタイム
で動画像を表示できないという大きな問題を抱えてい
る。また、バリフォーカルミラーを用いる方式は、臨場
感のある立体感を出すために、奥行き方向の像数を増や
す必要があるが、機械制御、音、情報量等の問題から像
数の増加が困難なことと、遠近が逆転して見えることが
あるといった本質的な問題がある。

【０００６】さらに、眼鏡が不必要で、両眼視差を用い
る方式として、パララックスバリアやレンティキュラレ
ンズ方式がある。これらの原理はほぼ同じであるが、光
量の減少しないレンティキュラ方式が優れている。ここ
では、最も実用化に近いと考えられるレンティキュラレ
ンズを用いた３次元立体表示技術について説明する。

【０００７】図２は従来の２眼レンティキュラ方式を用
いた３次元立体表示装置を示す構成図である。この方式
による装置は、図２の(a) に示すようにマトリクス状に
配列した画素を有する光透過型表示装置１０４と、複数
のストライプ状カマボコレンズを並列に並べてなるレン
ティキュラレンズ５０２及び面光源３０１との組み合わ
せで構成される。

【０００８】光透過型表示装置１０４は図２の(b) に拡
大して示すように、左目用画像Ｌ及び右目用画像Ｒがス
トライプ状に交互に配置され、さらに光透過型表示装置
１０４の背面には面光源３０１が配置されている。レン
ティキュラレンズ５０２の各ストライプ状カマボコレン
ズの中には、２組の画素列がレンズに沿って配置され、
図２の(b) に示すように、２組の画素列のうち一方の画
素列が右目用画像Ｒに、他方の画素列が左目用画像Ｌに
対応する。それぞれの画像が観察者の右目、あるいは左
目に到達するように、カマボコレンズのピッチや曲率半
径、厚さが正確に設計される。

【０００９】図３の(a) 、(b) 、(c) は右目用、左目用
の画像Ｒ，Ｌと透過光との関係をそれぞれ示している。
１フィールド毎、あるいは１フレーム毎に(c) に示す左
目用画像Ｌ、或いは(b) に示す右目用画像Ｒを表示する
ことによって観察者１０５は３次元立体画像を観察する
ことができる。

【００１０】以上述べた従来技術では、面光源と光透過
型表示装置を組み合わせた３次元立体表示装置について
のみ説明したが、発光型の表示装置を用いて実現した例
もある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来のレンティキュラレンズを用いた３次元立体画像
表示装置では、右目用の画像、左目用の画像のそれぞれ
をストライプ状の２組の画素列の集合によって構成して
いたため、解像度が１／２に低下するといった問題点が
あった。また、レンティキュラレンズが光透過型表示装
置の全面に配設されているため、表面がデコボコしてお
り、画像の不自然さが回避できなかった。さらに、２次
元表示で十分な文字等を表示する時に通常の表示装置の
方が見やすいといった問題点があった。さらにまた、以
上述べた課題に加えて、レンティキュラレンズと表示画
素との位置関係が固定であるため、観察位置が決ってし
まうという本質的な問題点があった。

【００１２】本発明の目的は上記の問題点に鑑み、解像
度が高く、自然に観察できる３次元立体表示装置を提供
することにある。さらには、観察位置が連続的に可変で
きる３次元立体表示装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために、請求項１では、光源と、観察者の左右の
眼のそれぞれに対応して異なる少なくとも２種類の表示
を交互に行う光透過型表示装置と、前記光源と光透過型
表示装置との間に配置され、前記光源から光透過型表示
装置に入射される光の方向を変化する光偏向素子と、前
記光透過型表示装置の表示に対応して前記光偏向素子に
よる光の偏向方向を制御する制御手段とを備えた３次元
立体表示装置を提案する。

【００１４】また、請求項２では、請求項１記載の３次
元立体表示装置において、前記光偏向素子は、電気的に
屈折率を変化できる透光性媒質と、該透光性媒質中に設
けられた反射構造とを有する３次元立体表示装置を提案
する。

【００１５】また、請求項３では、請求項１記載の３次
元立体表示装置において、前記光透過型表示装置の表示
を観察する観察者の頭の位置を検出する頭部位置検出手
段を設けると共に、前記制御手段は前記頭部位置検出手
段の検出結果に基づいて前記光偏向素子の光偏向方向を
制御する３次元立体表示装置を提案する。

【００１６】

【作用】本発明の請求項１によれば、光源と光偏向素子
を組み合わせたデバイスは任意の方向に光を発する指向
性光源として作用する。即ち、前記光源から出射した光
は光偏向素子に入射し、光偏向素子の光学的特性によっ
て出射方向が決定され、例えば光透過型表示装置の表示
を観察する観察者の右目或いは左目の位置に光の方向が
制御される。前記光透過型表示装置には前記指向性光源
からの出射光が照射され、該光透過型表示装置は、例え
ば光の方向が前記観察者の左目の位置にあるときに左目
用の画像を表示し、光の方向が前記観察者の右目の位置
にあるときに右目用の画像を表示する。これにより、観
察者は、光透過型表示装置の時分割駆動によって３次元
立体画像を観察できる。

【００１７】また、請求項２によれば、前記光透過型表
示装置へ入射される光の方向は、前記光偏向素子の透光
性媒質の屈折率を電気的に制御することによって変化さ
れる。

【００１８】さらに、請求項３によれば、頭部位置検出
手段によって前記光透過型表示装置の表示を観察する観
察者の頭の位置が検出され、該頭部位置検出手段の検出
結果に基づいて、制御手段により前記光偏向素子の光偏
向方向が制御され、前記光透過型表示装置からは前記観
察者の右目及び左目の方向に光が出射される。

【００１９】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説
明する。図１は本発明の第１の実施例を示す概略構成図
であり、光源に平行光源を用いた場合を示している。図
において、１０１は平行光源、１０２は光偏向素子、１
０３は凸レンズ、１０４は光透過型表示装置、１０５は
観察者である。また、図１の(a) は観察者１０５の左目
に左目画像を映し出している状態を表しており、図１の
(b) は観察者１０５の右目に右目画像を映し出している
状態を表している。

【００２０】平行光源１０１から出射した平行光は光偏
向素子１０２に入射し、光偏向素子１０２の光学的特性
によって入射光の向きが変えられる。例えば、図１の
(a) の場合には観察者１０５の左目に光が入射するよう
に光偏向素子１０２の光学的特性が制御され、凸レンズ
１０３によって観察者１０５の左目に光が集光される。
この際、凸レンズ１０３と観察者１０５との間に設置し
た光透過型表示装置１０４には左目用の３次元立体画像
が表示され、観察者１０５の左目にはこの画像が映し出
される。(b) の場合には、(a) の場合と同様に、右目に
右目用の３次元立体画像が映し出される。

【００２１】図４は、前述した３次元立体表示装置の制
御系の一構成例を示す図である。この制御系は、左目用
カメラＬＣからの画像を観察者１０５の左目に、また、
右目用カメラＲＣからの画像を観察者の右目に映し出す
ように作用する。例えば、同期信号発生器２０１からの
信号に基づいて、切り替えスイッチ２０２は、双方のカ
メラＬＣ，ＲＣから光透過型表示装置１０４へ入力され
る表示画像を選択する。この際、右目用画像を選択する
場合には切り替えスイッチ２０２によって右目用カメラ
ＲＣが光透過型表示装置１０４に接続され、右目用カメ
ラＲＣが撮った画像が光透過型表示装置１０４に映し出
される。これと同時に、同期信号発生器２０１から電気
制御回路２０４に信号が送信され、該信号に基づいて電
気制御回路２０４は光偏向素子１０２の光学的特性を制
御する。即ち、この電気制御回路２０４は、光透過型表
示装置１０４に映し出した画像に応じて、光偏向素子１
０２が観察者１０５の右目あるいは左目に平行光を集光
するように、光偏向素子１０２の光学的特性を制御す
る。さらに、観察者１０５の眼の残像効果が得られるよ
うな時間内で前述した切り替え操作を行えば、観察者１
０５は、右目と左目に同時に光が到達したと感じて、３
次元立体画像を観察することができる。

【００２２】次に、前述した平行光源１０１の構成につ
いて説明する。図５は平行光源１０１の一例を示す構成
図である。平行光源１０１は、液晶ディスプレイ等に使
われる面光源３０１と、該面光源３０１の発光領域を制
限するためのマスク３０２と、出射光に指向性を与える
ハエの目レンズ３０３から構成されている。

【００２３】マスク３０２は、面光源３０１の平面的な
発光領域を複数の点領域に制限するように機能する。こ
れらの点領域のそれぞれが点光源となり、１つの点光源
からの出射光が対応する１つのレンズだけに入射して、
メインローブのみを放射するのが理想であるが、現実に
は点光源からの光はこれに対応するレンズとは別のレン
ズにも入射してサイドローブを形成する。このサイドロ
ーブとメインローブとの成す角度が狭いと、理想的な平
行光の状態から外れてくる。さらに、より理想的な平行
光を形成するためには、点光源とレンズとの距離を離す
必要がある。このため、ある程度の厚さのマスク３０２
を使用することが必要である。以上の構成部品によって
平行光源が得られるが、マスク３０２の厚や点光源のピ
ッチによって平行光の最適化が成される。

【００２４】平行光の作成例として、面光源３０１とマ
スク３０２とハエの目レンズ３０３を使用した場合につ
いて説明したが、ハエの目レンズ３０３の代わりにレン
ティキュラレンズを使用しても同様に平行光を得ること
ができる。この場合には、各点光源からの光はビーム状
に出射するのではなく、扇状に出射するところがハエの
目レンズ３０３を用いた場合と異なる。以上述べた平行
光の作成方法は一例であり、これらに限定されることは
ない。

【００２５】次に、前述した光偏向素子１０２の構成に
ついて説明する。図６は光偏向素子１０２の一例を示す
構成図である。図に示すように、光偏向素子１０２は、
２枚の透明電極４０１と、透明電極４０１の間に設けら
れた反射体４０２、即ち鏡のような反射機能を持つ構造
を含む透明物質４０３から構成され、透明物質４０３は
電気的に屈折率が可変なものである。

【００２６】以下、素子の動作について簡単に説明す
る。透明電極４０１間に電圧を印加したときには、光偏
向素子１０２への入射光線は図中の太線の経路をたど
り、透明電極４０１間に電圧を印加していないときに
は、電圧印加時とは異なる図中の細線の経路をたどる。

【００２７】即ち、透明電極４０１間に電圧を印加しな
い状態では、入射光は素子中に入射する際に、外界と透
明物質４０３との屈折率差により屈折される。屈折した
光線は反射体４０２により反射された後、再び外界との
界面で屈折され、素子外部に出射される。

【００２８】一方、透明電極４０１間に電圧を印加する
と、透明物質４０３の屈折率が変化する。これにより、
透明物質４０３中の光の経路は図中の細線の経路から太
線の経路に変化し、素子外部に出射される際の光の方向
は前述とは異なる方向になる。以上の動作によって光の
伝搬方向を変えることができる。

【００２９】以上の説明では、反射体４０２の構造とし
て単純なものについて説明したが、これに限定されるこ
とはない。例えば、本出願人が提案している光学素子
（特願平５−１７９５５４号）のように、反射体４０２
を屈折率が異なる２種類以上の媒質からなる層構造によ
っても実現でき、また、屈折率が異なる媒質中に配置さ
れた多数の微細物質からなる周期的微細構造で実現する
こともできる。また、光透過型表示装置１０４は、例え
ば液晶パネルを用いて容易に実現でき、凸レンズ１０３
はフレネルレンズを用いて実現することができる。

【００３０】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
図７は、第２の実施例を示す概略構成図である。図７の
(a) は観察者１０５の左目に左目画像を映し出している
状態を表しており、図７の(b) は観察者１０５の右目に
右目画像を映し出している状態を表している。図におい
て、前述した第１の実施例と同一構成部分は同一符号を
もって表しその説明を省略する。また、第１の実施例と
第２の実施例との相違点は、平行光源１０１に代えて点
光源１１１を用い、点光源１１１の出射光を凸レンズ１
１２を介して光偏向素子１０２に入射するようにした点
にある。

【００３１】即ち、点光源１１１から出射した光は凸レ
ンズ１１２に入射し、該凸レンズ１１２によって平行光
とされた後、光偏向素子１０２に入射される。光偏向素
子１０２では、その光学的特性によって入射光の伝搬方
向が変えられる。図７の(a)の場合には観察者１０５の
左目に入射するように光偏向素子１０２の光学的特性が
制御され、凸レンズ１０３によって観察者１０５の左目
に光が集光される。この際、凸レンズ１０３と観察者１
０５との間に設置した光透過型表示装置１０４には左目
用の３次元立体画像が表示され、観察者１０５の左目に
はこの画像が映し出される。(b) の場合には、(a) の場
合と同様に、右目に右目用の３次元立体画像が映し出さ
れる。

【００３２】第２の実施例における３次元立体表示装置
の制御構成と光偏向素子については、前述した第１の実
施例のものと同様であるので、説明を省略する。

【００３３】次に、本発明の第３の実施例を説明する。
図８は、第３の実施例における制御系の要部を示す構成
図である。図８において、実線は光の経路であり、破線
は観察領域の位置を制御する電気信号及び光偏向素子１
０２を駆動するための電気信号である。

【００３４】第３の実施例は、第１の実施例の構成に加
えて、観察者１０５の頭の位置を検出する頭部検出器６
０２を設け、頭部検出器６０２の検出結果に基づいて、
制御回路６０３により光偏向素子１０２の偏向方向を制
御するようにしたものである。

【００３５】これにより、観察者１０５の頭の動きに応
じて観察領域が変化する頭部追跡機能が実現され、常に
観察者１０５の頭の方向に光りが出射され、観察者の頭
の位置が移動しても、観察者は常に３次元立体画像を観
察することができる。

【００３６】即ち、光源２０１から出射した光は、光偏
向素子１０２の作用によって指向性をもって光透過型表
示装置１０４に入射するため、観察領域では３次元立体
画像を見ることができる。さらに、観察者の頭の位置は
磁気センサ等の頭部検出器６０２によって常時モニタさ
れ、該モニタに基づいた検出信号が頭部検出器６０２か
ら制御回路６０３に入力されている。

【００３７】制御回路６０３では、入力された検出信号
に基づいて観察者の頭の位置を導出し、観察領域が頭の
位置にくるように光偏向素子１０２へ信号を送り、光透
過型表示装置１０４から出射される光の方向が観察者の
頭の方向となるように制御される。これにより、頭部追
跡機能が実現でき、観察者の頭の位置が移動しても、観
察者は常に３次元立体画像を観察することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
によれば、光偏向素子により光の集光位置を連続的に変
えることができるため、任意の位置で映像を観察でき
る。また、光透過型表示装置には、観察者の左右の眼の
それぞれに対応した異なる２種類の表示が交互に行われ
るので、高解像度な３次元立体画像を提供できると共
に、２次元画像表示も容易に行うことができ、２次元画
像表示装置との相互変換にも優れている。さらに、従来
用いていたレンティキュラレンズのような、表面がデコ
ボコした表示面を用いないため違和感がないといった非
常に優れた効果を奏するものである。

【００３９】また、請求項２によれば、上記の効果に加
えて、前記光偏向素子を電気的に制御することによっ
て、前記光透過型表示装置へ入射される光の方向が変化
されるので、機械的可動部を設ける必要がなく、構造の
簡略化を図ることができると共に、振動等に対する機械
的な強度の向上を図ることができる。

【００４０】さらに、請求項３によれば、上記の効果に
加えて、頭部位置検出手段の検出結果に基づいて、制御
回路により前記光偏向素子の光偏向方向が制御されるの
で、常に観察者の頭部位置、即ち観測者の目の位置に対
応して前記光偏向方向が制御され、観察者は任意の位置
で３次元立体画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３次元立体表示装置の第１の実施例を
示す概略構成図

【図２】従来例の２眼レンティキュラ方式を用いた３次
元立体表示装置を示す構成図

【図３】従来例の３次元立体表示装置における右目用、
左目用の画像Ｒ、Ｌと集光位置の関係を示す図

【図４】本発明の第１の実施例における制御系の一例を
示す構成図

【図５】本発明の第１の実施例における平行光源の一例
を示す構成図

【図６】本発明の第１の実施例における光偏向素子の一
例を示す構成図

【図７】本発明の３次元立体表示装置の第２の実施例を
示す概略構成図

【図８】本発明の第３の実施例における観察者の頭部追
跡機能の制御系を示す要部構成図

【符号の説明】

101 …平行光源、102 …光偏向素子、103 …凸レンズ、
104 …光透過型表示装置、111 …点光源、112 …凸レン
ズ、201 …同期信号発生器、202 …切り替えスイッチ、
204 …電気制御回路、301 …面光源、302 …マスク、30
3 …ハエの目レンズ、401 …透明電極、402 …反射体、
403 …透明物質、502 …レンティキュラシート、601 …
光源、602 …頭部検出器、603 …制御回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、観察者の左右の眼のそれぞれに
対応して異なる少なくとも２種類の表示を交互に行う光
透過型表示装置と、前記光源と光透過型表示装置との間に配置され、前記光
源から光透過型表示装置に入射される光の方向を変化す
る光偏向素子と、前記光透過型表示装置の表示に対応して前記光偏向素子
による光の偏向方向を制御する制御手段とを備えたこと
を特徴とする３次元立体表示装置。
【請求項２】前記光偏向素子は、電気的に屈折率を変
化できる透光性媒質と、該透光性媒質中に設けられた反
射構造とを有することを特徴とする請求項記載１の記載
の３次元立体表示装置。
【請求項３】前記光透過型表示装置の表示を観察する
観察者の頭の位置を検出する頭部位置検出手段を設ける
と共に、前記制御手段は前記頭部位置検出手段の検出結
果に基づいて前記光偏向素子の光偏向方向を制御するこ
とを特徴とする請求項１記載の３次元立体表示装置。