JPH0937305A - 立体画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、両眼間隔により多くの画像を投影
し、また表示できる総画像枚数を多くし、運動視差、両
眼視差を同時に実現し、より自然で立体感の高い立体表
示を実現すことを目的とする。 【構成】 画像信号をスクリーンに映写する複数の画像
投射手段１a〜１cと、画像投射手段の投射光学系の近傍
に配した複数の光学反射手段２a, ２bで構成され、画像
投射手段と光学反射手段は、前記複数の画像投射手段の
投射方向が一定方向に定められ、且つ投射された画像の
光線が定められた幅から投射される位置に配置されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、立体画像を表示観察す
る分野で有効に利用でき、ＴＶゲームや３Ｄテレビ、Ｃ
ＡＤ、芸術鑑賞、医療データ表示など多くの分野で利用
可能な立体画像表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来技術としては、３次元ディスプレイ
増田千尋（産業図書）に紹介されている以下のものが
あげられる。例えば投射ユニットをハーフミラーで合成
する２種類の方式がｐ１３２図5.31 図5.32 に示されて
いる。図１０にこの３次元ディスプレイの構成を示す。
これらのものは投射されたプロジェクターからの画像が
両眼間隔に収まるよう、ハーフミラーを用いて各プロジ
ェクターの間にミラーと反対側のプロジェクターが配置
されるように設計されている。プロジェクター１０１と
１０３の間に等価的にプロジェクター１０２が入るよう
に配置され、またプロジェクター１０３と１０５の間に
等価的にプロジェクター１０４が入るように配置されて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしこのような配置
では、プロジェクターのサイズによる制約が大きく、両
眼間隔のピッチに画像を１枚か２枚挿入するのが限界で
あり、多眼立体表示の為の眼数（プロジェクターの数ま
たは提示画像枚数）を多くするのが困難であり、また両
眼間隔のピッチに画像が１〜２枚では、視点を移動した
ときに画像の変化が大きく自然な立体表示は困難であ
る。

【０００４】本発明は、上記課題を解決するもので、両
眼間隔により多くの画像を挿入し、また表示できる総画
像枚数を多くし、より自然な立体表示を実現すことを目
的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、画像信号をスクリーンに映写する複数の画像
投射手段と、前記画像投射手段の投射光学系の近傍に配
した複数の反射光学系で構成され、前記投射手段と前記
反射光学系の配置により前記複数の投射手段の投射方向
が一定方向に定められ、且つ投射された画像の光線が定
められた幅から投射される構成である。

【０００６】また画像が投射される光路上に光路変換素
子を設置し、上記構成の画像投射手段の複数の光路を時
分割で少しの角度変更し、提示できる画像の枚数を増加
させて投射する構成である。

【０００７】

【作用】本発明によれば、両眼間隔に多くの画像を投射
することができ、また投射される画像の枚数を多くする
ことが可能になり、人間の視点の変化に対し画像がスム
ーズに変化する。また投射される画像の射出幅が自動的
に制限され、立体画像として観察するとき各画像間の混
合が少なくなり、画像のスムーズな変化と相まって非常
に自然な立体画像表示が可能となる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しながら説明する。図１は本発明の実施例の立体表示装
置の光学系の基本方式を示すものであり、投射手段（プ
ロジェクター）の数を３台として説明する。１ａ〜１ｃ
は画像投射手段、２ａ、２ｂは光学反射手段のミラー、
３ａ〜３ｃは光路、４ａ、４ｂは遮光手段である。

【０００９】以上のように構成された本実施例の基本方
式の動作を説明する。立体画像を表示する基本原理は、
古くから知られている両眼視差のある画像をそれぞれの
目に入射させるものである。本実施例もこの原理にした
がったものである。また人間は両眼視差以外に、視線の
移動による画像の変化（運動視差）により更に立体感を
増す。例えば、両眼間隔は約６ｃｍであるが、視線の移
動は頭を少し動かすだけで数十ｃｍになり、画像の変化
が大きい。本実施例はこの運動視差と前述の両眼視差を
同時に提示し、現在表示が困難な運動視差を含む立体画
像をも自然に表示するものである。

【００１０】運動視差を自然に表示するために、人間の
両眼間隔になるべく多くの画像を提示することが重要で
あり、少なくとも３つ程度以上の画像を表示する必要が
ある。これを実現するのが本発明の主旨である。画像投
射手段１は物理的に横幅ｗがあり、通常のビデオプロジ
ェクターの場合、横幅が小さいものでも１５ｃｍから２
０ｃｍ程度であり、両眼間隔の６ｃｍよりかなり大き
い。本発明ではミラー２と遮光手段４とプロジェクター
１を図１のように配置する。投射レンズの直前に設置し
たミラー２ａ、２ｂによりプロジェクター１ａ、１ｃの
画像の投射光路を変換する。変換された光路は３ａ、３
ｃとなり、プロジェクター１ｂの光路３ｂと平行または
平行に近くする。この光路変換と同時に投射光が放射さ
れる光路の射出幅を制限する。このとき重要な点は、光
路の射出されるピッチｐ１，ｐ２，ｐ３または各光路３
ａ〜３ｃの間隔が、プロジェクター１ａ〜１ｃの各射出
幅より小さくできる点である。投射光の射出幅が広い場
合、射出される光路のピッチを小さくしても、それぞれ
の投射光がオーバーラップし、画像が混合してしまい、
立体画像の画質が低下する。

【００１１】このようにして投射された画像は、指向性
の非常に高く設計されたスクリーン（レンチキュラレン
ズで構成されたスクリーンや蝿の目レンズで構成された
スクリーンや、大凸レンズなど）に投影することによ
り、観察者は各画像が投射された間隔の移動（または角
度の変化）で、それぞれの投射画像が観察できるように
なる。図２にプロジェクターとスクリーン及び観察者の
位置関係を示す。図２において、５はレンチキュラース
クリーン、１０は図１に示したプロジェクター１ａ〜ｃ
で構成されるプロジェクターユニットであり、６は観察
者の位置である。ここでは画像を投射する各光路は平行
の例であるが、スクリーン上に収束する様な光路でも良
い。

【００１２】このシステムにより運動視差の表示の基本
型ができる。図１の場合は原理説明の為の基本形で、３
枚の画像で運動視差そのものの表示には画像の枚数が不
足する。従って図３に示すようにプロジェクター１の数
を増し（１ｄ〜１ｈ）、ミラー２も増す（２ｃ〜２ｆ）
ことにより、５つの画像が表示可能になる。またこのと
きの各光軸３ｄ〜３ｈのピッチｐ４〜ｐ８を２〜３ｃｍ
程度に小さくすることができ、人間の両眼間隔の６ｃｍ
の間に３〜４枚程度の画像を投射することが可能とな
る。

【００１３】図３において各プロジェクター間の角度は
６０度であるが、４５度で収まる単体のプロジェクター
を利用できれば、７つの画像の投射が、各光路のピッチ
を小さくし、光路間の間隔を両眼間隔より小さくして投
影が可能になる。

【００１４】さらに画像の枚数を増加させる必要がある
ときは、上記のようにプロジェクターを組み合わせプロ
ジェクターユニットとし、このプロジェクターユニット
間をハーフミラーにより組み合わせて合成し、画像の枚
数を増加させる。図４にこの組み合わせを示す。図４に
おいて、１０ａ、ｂは図３に示したプロジェクターユニ
ットであり、１１は反射鏡、１２はハーフミラーであ
る。このようにすることにより１０枚または１４枚の画
像を光路間隔を狭めて投射が可能になる。このときプロ
ジェクターユニット内では画像間の位置合わせが出来て
おり、ハーフミラーで合成したプロジェクターユニット
間の位置合わせをするだけで良い。従って画像枚数が多
くなる条件でも、簡単に画像間の位置合わせが行える。

【００１５】さらに図５のようにプロジェクターユニッ
トを４つ組合わせることも可能である。図５において１
０ａ〜ｄはプロジェクターユニットであり、１１ａ〜ｃ
は光学反射手段の反射鏡、１２ａ〜ｃはハーフミラーで
ある。このようにすることにより、各プロジェクター間
角度が６０度の場合では２０枚、または４５度の場合で
は２８枚の画像を光路間隔を狭めた投射が可能になる。

【００１６】以上の構成により第１の実施例では、人間
の両眼間隔に３〜４枚の画像を投射することができ、且
つ同時に２０〜２８枚の画像を投射することが可能にな
る。従って両眼立体視より大きな立体感を与える運動立
体視の提示が可能となり、両眼立体視とともに、立体感
がより自然な立体表示を実現することが可能である。

【００１７】なお、ハーフミラー１回の透過に伴い光量
は１／２〜１／３に低下し、図５の場合にはハーフミラ
ー２回の透過にともない光量は１／４〜１／９に低下す
る。従ってスクリーンは光の指向性の強い大レンズ（フ
レネルレンズ）で構成したものが適している。またレン
チキュラーレンズとフレネルレンズを同時に用い、フレ
ネルレンズを上下方向の集光に用い、レンチキュラーレ
ンズの特性であるサイドローブでの観察を利用しなが
ら、且つ明るくする方法も可能であり良い方法である。
指向性が高くなると光の利用効率が高くなり、ハーフミ
ラーで１／９程度に減衰した投射光でも、明るく観察す
ることが可能であり、図５に示す構成でも十分明るく立
体映像を楽しむことが可能である。また一般的な布のス
クリーンに比べれば、十分明るくすることが可能であ
る。

【００１８】図６は、本発明の第２の実施例における構
成図で、１０は図３に示すプロジェクターユニット、１
８、１９は光路変換手段である。以上の様に構成された
第２の実施例について、説明する。

【００１９】光路変換手段１８、１９の構成を図７に示
す。図７は光が回折するオーダーの微細な構造を一般化
して模式的に示したものである。図７において２１、２
２はガラス基盤であり、２３、２４は透明電極であり、
２５は高分子と液晶の相であり、３２は高分子相であ
り、３３は液晶相である。構造は図７（ａ）に示すよう
に、図中傾斜した実線で示されている高分子相３２と前
記実線で挟まれた領域である液晶相３３とが周期的な相
分離を起こしている。液晶相３３の中では液晶分子があ
るまとまりを持つ集合体である液晶ドロプレット３８を
形成しており、この液晶ドロプレット３８は個々にラン
ダムな方向を向いて分散しており、等価的に定義される
液晶相３３の平均屈折率は高分子相３２の屈折率よりも
高くなっている。即ち、ここに形成されている周期構造
は、両相の比較的大きな屈折率差の存在により、いわゆ
る体積位相型のホログラムを形成している。従って、ブ
ラグ角度で入射する入射光３６は損失を受けることなく
回折光３７に変換され、高効率にその進路を偏向し、入
射光３６と異なる光路をとる。

【００２０】また、図７（ｂ）に示すように、上記のよ
うな構造を持つ光路変換素子の透明電極２３と２４に挟
持されており、両電極層に電圧を印加すると、液晶相３
３にある液晶ドロプレット３８が電界方向に配列し、高
分子相３２との屈折率差がなくなるため、光を回折する
力が失われ、入射光３６は透過光４０となって光路変換
素子を通過する。従ってこのとき電圧を印加する前に回
折光が観察されていた方向には、光は進行しない。

【００２１】以上のような光路変換素子を用い、光の進
路を電圧で２つの方向に変更することが可能になる。こ
の光路変換素子を図６の１８、１９に示すように、プロ
ジェクターユニット１０の前方に配置し、プロジェクタ
ーユニットから投射される複数の画像の方向を変換す
る。光路変換素子に電圧を掛け、光がそのまま透過する
ようにした状態が、光路４１である。なお、光路４１は
プロジェクターユニット１０の複数の映像が投射される
光路を代表したものである。また光路変換素子１８、１
９に電圧を加えないときの光路を４２で示す。このよう
に２枚の光路変換素子を用いることにより、プロジェク
ターユニットから投射される画像の数を時分割ではある
が、２倍にすることが可能である。またこのとき光路変
換素子１８だけでも光路を２倍にすることが可能であ
る。このとき２つの光路は平行にならないため、プロジ
ェクターユニット１０のそれぞれの画像の光路も、平行
でなく放射状に広がるようにして、光路変換素子で光路
を変えたとき、隣の画像との間隔を等しくなるようにす
るか、平行光の場合はスクリーン上で画像の間隔が等し
くなるように光路変換角を決定する必要がある。さらに
図８に示すように２枚の光路変換素子を用い、２枚の光
路変換素子に同時に電圧を加えた場合は光路４３をと
り、光路変換素子１７のみに電圧を加えた場合は光路４
４をとり、光路変換素子１６のみに電圧を加えた場合は
光路４５となる。このようにして画像が投射される光路
の数を増やし（時分割ではあるが）、多くの画像を小さ
な間隔（両眼間隔に３、４枚以上）に投影することが可
能になる。

【００２２】以上のように第２の実施例によれば、光路
変換素子を用いて時分割で画像が投影される光路を増
し、表示される画像枚数を更に増すことができ、非常に
スムーズな運動視差を与えることが可能になり、両眼視
差と相まって自然な立体映像の表示が可能となり、その
実用的価値は高い。

【００２３】尚、図６、図８ではプロジェクターユニッ
ト１０の前に光路変換素子を配置する構成を示したが、
ハーフミラーで投射される画像枚数を増した図５のよう
な構成の前に、光路変換素子を配置してもよいのは当然
であり、このとき図５で示した画像の最大枚数のさらに
２〜３倍（２０×２＝４０枚または２８×３＝８４枚）
の画像を投射することが可能となる。８４枚の画像を表
示したとき、たとえば２ｃｍ間隔で画像を提示したとき
１．６８ｍ（４０枚でも８０ｃｍ）の広い範囲で運動視
差、両眼視差のある立体画像が観察できる。従って運動
視差、両眼視差を含む自然な立体画像を、実用的に問題
なく提示可能になる。

【００２４】次に光路変換素子の使い方を変えた第３の
実施例について説明する。図９は本発明の第３の実施例
の構成を示すものであり、光路変換素子の前後にダイク
ロイックミラー等の光波長分解手段を設け、前記光路変
換素子に白色光が透過しないように構成したもので、各
原色毎に透過するようにして高画質化を実現するもので
ある。

【００２５】図９において、１０はプロジェクターユニ
ット、５０は赤色光を反射し他の色光を透過するダイク
ロイックミラー、５１、５４は緑色光を反射し、他の色
光を透過するダイクロイックミラー、５２、５３は反射
鏡、５５は青色光を反射し他の色光を透過するダイクロ
イックミラー、５６、５７、５８は光路変換素子であ
る。

【００２６】以下、第３の実施例の動作を説明する。図
６、図８の構成との違いは光の波長（各原色）毎に光路
変換素子を用いる点である。プロジェクターユニット１
０から投射された光をダイクロイックミラー５１、５２
によりＲＧＢの原色光に分離する。分離された各原色光
に対して光路変換素子５６、５７、５８を作用させ、光
路を時間的に変換する。光路が変換された各原色光は再
びダイクロイックミラー５４、５５、ミラー５３で合成
され、カラーの映像光になる。合成された映像光は５
９、６０の方向に時分割で投影され、光路を２倍に増加
させる。

【００２７】各原色光別に光路変換素子を作用させる理
由を以下に示す。本発明で用いている光路変換素子は、
原理的に光の回折を利用したものであり、光路の変更角
を大きくとると、光の波長差で変更角が変化することに
なり、画質が低下することになる。従って画質を高レベ
ルに維持するために、各原色光に分離して光路変換を行
う。原色光に分離することにより、各原色ごとに変更角
を決定でき、画像が滲んだり暈けたりせず正しい位置に
投射でき、画質が低下しない。特に光路の変更角が大き
いとき、画質が低下しない性質が大きな特徴となる。

【００２８】以上のように第３の実施例によれば、各色
光毎に光路変換素子を用いて時分割で画像が投影される
光路を増し、光路の変換角が大きいときも画質の劣化が
なく、表示される画像枚数を増すことができ、非常にス
ムーズな運動視差を与えることが可能になり、両眼視差
と相まって自然な立体映像の表示が可能となり、その実
用的価値は高い。

【００２９】尚、上記の実施例では、スクリーンは透過
型のものを用いたが、指向性の強いタイプのものであれ
ば、反射型のものでもよいのは当然である。

【００３０】また上記の実施例ではスクリーンは平面で
あるが、凸面や凹面のスクリーンに投射してもよい。こ
のとき各プロジェクターからの画像投影の光束は扇状に
広がる方向（凸面投射）か、その逆に狭まる方向（凹面
投射）にすることにより、様様な角度からの観察が可能
になる。さらに本発明の投射部分を増やし、３６０度ま
で対応さすことにより、円筒型のスクリーンへの投射も
可能になる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、両眼間隔
に３〜４枚以上の多くの画像を投影可能で、且つ全体と
して多くの画像を投影でき、運動視差と両眼視差が同時
に提示可能であり、人間の視点の変化に対し画像がスム
ーズに変化する。また投射される画像の射出幅が自動的
に制限され、立体画像として観察するとき各画像間の混
合が少なくなり、画像のスムーズな変化と相まって自然
で立体感の高い画像を提示できその実用的価値は高い。

【００３２】また、時分割で投射することにより、さら
に投射画像の枚数を増やすことが容易に可能であり、さ
らに自然で立体感の高い画像を提示できる。また同じ投
射枚数であれば、プロジェクターの数を少なくすること
が可能であり、具体的に実現するときの価格や大きさな
ど、その実用的価値は高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の立体画像表示装置の構
成の一例の概要を示す図

【図２】本発明の第１の実施例の立体画像表示装置のス
クリーンと観察者の位置関係と光路の一例を示す図

【図３】本発明の第１の実施例の立体画像表示装置の他
の構成例の概要を示す図

【図４】本発明の第１の実施例の画像投射手段の他の構
成例を示す図

【図５】本発明の第１の実施例の画像投射手段のさらに
他の構成例を示す図

【図６】本発明の第２の実施例の立体画像表示装置の構
成の一例を示す図

【図７】(a),(b)は同第２の実施例の立体画像表示装置
の光路変換素子の概要を示す図

【図８】本発明の第２の実施例の立体画像表示装置の他
の構成例を示す図

【図９】本発明の第３の実施例の立体画像表示装置の構
成例を示す図

【図１０】従来の立体画像表示装置の構成を示す図

【符号の説明】

１ 画像投射手段 ２ ミラー ４ 遮光手段 ５ レンチキュラースクリーン １０ プロジェクターユニット １１ 反射鏡 １２ ハーフミラー １６、１７、１８、１９ 光路変換手段 ５０、５１、５４、５５ ダイクロイックミラー ５６、５７、５８ 光路変換手段

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】画像信号をスクリーンに映写する複数の画
   像投射手段と、前記画像投射手段の投射光学系の近傍に
   配した複数の反射光学系で構成され、前記投射手段と前
   記反射光学系の配置により前記複数の投射手段の投射方
   向が一定方向に定められ、且つ投射された画像の光線が
   定められた幅から投射されることを特徴とした立体画像
   表示装置。
2. 【請求項２】反射光学系は部分的に光を遮断するよう配
   置されることを特徴とした請求項１記載の立体画像表示
   装置。
3. 【請求項３】画像が投射される光路上にハーフミラーを
   設置し、請求項１または２記載の立体画像表示装置の複
   数の光路を定められた方向に投射することを特徴とした
   立体画像表示装置。
4. 【請求項４】画像が投射される光路上に光路変換素子を
   設置し、請求項１、２または３記載の立体画像表示装置
   の複数の光路を時分割で微小角度変更して投射すること
   を特徴とした立体画像表示装置。
5. 【請求項５】光路変換素子は、高分子層と液晶層とから
   構成され、光回折を電気的に制御する構成であることを
   特徴とした請求項４記載の立体画像表示装置。
6. 【請求項６】光路変換素子の前後に光波長分解手段を設
   け、前記光路変換素子に白色光が透過しないように構成
   することを特徴とした請求項４または５記載の立体画像
   表示装置。
7. 【請求項７】画像信号をスクリーンに映写するための複
   数の画像投射手段と、前記画像投射手段の各投射光をそ
   れぞれ反射する複数の光学反射手段とを備え、前記複数
   の光学反射手段で反射された複数の投射光の投射方向が
   一定の方向に定められて前記スクリーンに投射されるよ
   うに前記複数の画像投射手段と前記複数の光学反射手段
   とが配置されるとともに、前記光学反射手段から反射さ
   れた各投射光の光路間隔が各画像投射手段の射出幅より
   小さくしたことを特徴とした立体画像表示装置。